SUPERVISOR
داود طغرائی سمیرمی (استاد مشاور) احمدرضا عظیمیان (استاد راهنما)
STUDENT
Majid Rezaei
مجید رضائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Molecular Dynamics Simulation of Electrokinetic Phenomena in Electroosmotic and Electrophoretic Flows in Nanochannels
Fluid traort is one of the most challenging problems in the nanotechnology. To transfer fluid in a nano channel a variety of nano-fluidic systems consisting of valves, pumps, and mixers have been used. But some parts such as nano-valves and nano-pumps with moving components are complicated to design and fabricate, and they are prone to mechanical failure due to fatigue and fabrication defects. In addition, there are many restrictions for flow control in these devices. Therefore, alternative means are needed for fluid traort in nano scale. One of themost important and best known ways to traort fluid in this scale is to use the electrokinetic phenomena. In this technique there is no need to any moving part and fluid flow is due to the effect of an applied electric field.Two phenomena based on the electrokinetic i.e. electroosmotic and electrophoretic flow are studied.Generation of an electric double layer (EDL) which is the result of the interaction between an ionized solution and a static charge on a dielectric surface is the source of flow in both electroosmotic and electrophoretic flows. We study these flows using a molecular dynamic simulation (MDS) model. Molecular dynamics is a computer simulation of physical movements of atoms and molecules . The atoms and molecules are allowed to interact for a period of time, giving a view of the motion of the atoms. In the most common version, the trajectories of atoms and molecules are determined by numerically solving the Newton's equations of motion for a system of interacting particles, where forces etween the particles and potential energy are defined by molecular mechanics force fields . In the present study the effect of various factors affecting the direction and intensity of these flows in a slab nanochannel is being studied. To achieve this goal the effect of electrolyte solution, ion concentration, surface charge density, applied electric field, simulation temperature, channel height, surface density, and surface roughness on the electroosmotic fluid traort is studied. In order to study the electrophoretic flow some highly charged macroions are added to the system. The effect of various parameters such as macroion's charge, macroion's diameter, applied electric field, and simulation temperature on the electrophoretic flow is investigated. In the present study macroions are simulated by means of two models: hard model and soft model. It is attempted to study the effect of various parameters on the velocity profiles and flow concentrations, and try to interpret these results using the properties of the electric double layer. In addition, the combined flow created by adding macroions to the electroosmotic flow is studied too. It was found that the combined flow is stronger than both electroosmotic and electrophoretic flows alone. Also various phenomenons such as charge inversion, flow reversal, and multi-layering of the stern sub-layer were observed during these studies. Keywords: Electrokinetic phenomena, Electroosmotic, Electrophoretic, Electric Double Layer,Molecular Dynamics
یکی از چالش های مهم در علوم مهندسی، مسئله انتقال سیال از یک نقطه به نقطه دیگر است. در فناوری نانو نیز با توجه به کاربرد گسترده انتقال سیالات این مسئله از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. از طرفی ظرافت و پیچیدگی ابزار و دستگاه های ساخته شده در مقیاس نانو، استفاده از روش های متداول انتقال سیال را در این مقیاس دشوار و یا حتی غیر ممکن می سازد. چرا که این روش ها معمولاً نیاز به کارکرد قطعات متحرک دارند که تولید و مونتاژ آن ها در مقیاس نانو بسیار دشوار است و همچنین کنترل نانوجریان در این روش ها با محدودیت های زیادی همراه است. ضمن این که راندمان قطعات متحرک در نانوابزار معمولاً کمتر از حد انتظار است. بنابراین باید به دنبال روش های جایگزینی برای تولید جریان در مقیاس نانو باشیم. یکی از مهم ترین و شناخته شده ترین روش ها، استفاده از پدیده الکتروکینتیک جهت انتقال سیال است. این روش نیازی به نصب اجزای متحرک ندارد و می توان با اعمال یک میدان خارجی، محلول الکترولیت را در نانوکانال به جریان درآورد. مزیت مهم این روش، امکان کنترل دقیق جریان شکل گرفته در نانوکانال است. با توجه به اهمیت موضوع، در این پژوهش به شبیه سازی دو جریان مبتنی بر پدیده الکتروکینتیک، یعنی جریان های الکترواسموتیک و الکتروفورتیک می پردازیم. هدف پژوهش حاضر بررسی اثر پارامترهای مختلف بر رفتار این دو جریان و مطالعه رفتار جریان تلفیقی حاصل از ترکیب این دو جریان است. برای این منظور این دو جریان را با استفاده از روش دینامیک مولکولی شبیه سازی می کنیم. روش دینامیک مولکولی یک روش مبناذره است که در مقایسه با روش های مشابه خود بسیار دقیق بوده و می تواند رفتار تک تک ذرات را با استفاده از مکانیک آماری پیش بینی کند. نتایج به دست آمده در این پژوهش نشان می دهند که روش دینامیک مولکولی بر خلاف روش های مشابه، جزئیات پدیده الکتروکینتیک را به خوبی شبیه سازی می کند. در این پژوهش ابتدا به بررسی جریان الکترواسموتیک می پردازیم و اثر پارامترهایی نظیر نوع محلول الکترولیت، غلظت محلول، چگالی بار سطحی دیواره ها، قدرت میدان الکتریکی اعمال شده بر سیستم، دمای شبیه سازی، ارتفاع کانال، تراکم سطح کانال و زبری سطح دیواره ها را بر رفتار این جریان بررسی می کنیم. سپس جریان الکتروفورتیک را با اضافه نمودن ماکرویون های کروی شارژ شده با بار الکتریکی مثبت شبیه سازی می نماییم. برای شبیه سازی این جریان از دو مدل شبیه سازی ماکرویون نرم و ماکرویون سخت استفاده می کنیم و اثر بار الکتریکی ماکرویون، اندازه ماکرویون، قدرت میدان الکتریکی اعمال شده بر سیستم، و دما را بر جریان شبیه سازی شده توسط هر دو مدل بررسی می کنیم. لازم به ذکر است که در تحقیقات محققین پیشین توجه چندانی به نقش پدیده الکتروفورسیز در ایجاد جریان و انتقال سیال نشده و بیشتر به کاربردهای این پدیده در تجزیه ساختارهای یونی پرداخته شده است. در ضمن در این تحقیق می خواهیم با اضافه کردن ماکرویون ها به جریان الکترواسموتیک، خصوصیات جریان تلفیقی حاصل از ترکیب این دو جریان را بررسی کنیم. در این پژوهش نشان می دهیم که سرعت شکل گرفته در جریان تلفیقی، از مجموع سرعت های دو جریان مولد بیشتر است و این مسئله نشان می دهد که پدیده های الکترواسموسیز و الکتروفورسیز علاوه بر ایفای نقش خود در تولید جریان، نقش یکدیگر را نیز تقویت می کنند. در تحقیق پیش رو برای دست یابی به یک تحلیل منطقی از رفتار جریان های مورد بررسی، تغییرات ایجاد شده در ویژگی های ساختاری ناحیه دوگانه الکتریکی را به عنوان مهم ترین عامل در شکل گیری جریان های الکتروکینتیک مورد بررسی قرار می دهیم و کلیه تغییرات ایجاد شده در این ناحیه را با توجه به فیزیک مسئله ریشه یابی می کنیم. لازم به ذکر است که در حین شبیه سازی این جریان ها تحت شرایط متفاوت به وجود پدیده هایی نظیر وارونگی بار الکتریکی، ایجاد جریان برگشتی، و چندلایه شدن زیرلایه فشرده پی بردیم و دلیل رخ دادن این پدیده ها را در سیستم شبیه سازی بررسی کردیم. کلمات کلیدی: 1- پدیده الکتروکینتیک 2-جریان الکترواسموتیک 3-جریان الکتروفورتیک 4-دینامیک مولکولی