磁性纳米颗粒链的形成改变了流体流变特性以及汇聚型微通道中的离子浓度极化现象

《Langmuir》：Magnetic Nanoparticle Chaining Alters Fluid Rheology and Ion Concentration Polarization in Converging Microchannels

磁纳米颗粒通过磁场诱导链式结构形成非牛顿流变特性，显著调控微流道中离子浓度极化现象。基于耦合的泊松-奈尔斯特-普朗特方程与纳维-斯托克斯方程扩展的Bingham模型，数值模拟揭示了富集因子受电粘比C1、浓度参数C2、磁流变耦合系数C3和雷诺数Pe共同调控。与非牛顿流体相比，磁流变液在C3较高时实现3倍富集增强（EF≈10），数值误差控制在5-7%。磁流变协同效应为微流体制备高纯度富集提供了新策略。

　　

我们展示了磁性纳米颗粒如何通过场诱导的链式效应以及由此产生的非牛顿磁流变行为，显著调节汇聚微通道中的离子浓度极化。实际上，控制离子富集和贫化程度的并不是直接的磁捕获作用，而是外加磁场下流体流变性的改变。我们扩展了一个包含Bingham类本构律的Poisson–Nernst–Planck和Navier–Stokes模型来描述这种非牛顿流变现象。模拟结果表明，电场与粘性力之间的比例系数C₁、体积浓度参数的倒数C₂、磁流变耦合参数C₃以及传输参数Pe共同影响着离子的富集程度。对于牛顿流体，富集因子（EF）在EF ≈ 3时达到饱和；而对于磁流变流体，在高C₃条件下，富集因子可提高至约3倍（EF ≈ 10）。网格细化测试和富集窗口敏感性分析表明，数值结果的不确定性在5–7%之间。这些结果表明，可通过调节磁场来增强基于微流控技术的离子预浓缩效果，为设计下一代微流控富集平台提供了新的策略。