光响应变色聚合物作为双重探针实现快速切换及Fe3+离子选择性检测的新机制

研究人员针对诱导电荷电渗流（ICEO）流速的理论预测与实验测量存在数量级差异的问题，通过建立考虑离子尺寸空间位阻效应的二维修正泊松-能斯特-普朗克（MPNP）模型，发现当离子浓度C0从0.001 M增至0.2 M时，ICEO流速可提升至标准理论值的75%，并在0.2 M高浓度下因二维空间位阻效应产生16%的显著增强。该研究为微流控器件设计提供了重要理论依据。

　　

在微流控技术和纳米流体领域，诱导电荷电渗流（ICEO）因其在毫米/秒量级的高速流体操控能力备受关注。然而长期存在一个令人困惑的现象：标准理论预测的ICEO流速往往比实验测量值高出10倍以上。这种理论与实验的鸿沟严重制约了ICEO技术在微泵、微混合器等器件中的精准应用。传统理论框架未能充分考虑高电场下离子堆积的物理限制，特别是在微米尺度通道中，离子尺寸效应可能显著改变电双层结构和流体动力学行为。

信州大学机械系统工程系的研究团队通过创新性地引入二维空间位阻效应模型，揭示了离子浓度与ICEO流速之间的非线性关系。他们构建了包含离子有效尺寸参数a₀≈1 nm的修正MPNP方程，结合斯托克斯流体方程，采用有限元-有限体积（FE-FV）耦合算法进行数值模拟。研究特别关注了高浓度（0.2 M）电解质溶液在强电场（10 MV/m）下的行为，通过对比标准PNP和MPNP计算结果，首次量化了空间位阻效应对流速的增强作用。

关键技术包括：1）建立二维MPNP-Stokes耦合模型；2）采用非稳态直接模拟方法；3）设置符合物理实际的边界条件（如离子不可穿透电极边界）；4）引入无量纲参数ν=2C₀a₀³量化空间位阻强度。研究特别关注100 nm尺度通道体系，通过保持κ=W₀/λ_D=100的相似性实现不同浓度条件的可比性。

【ICEO涡流考虑空间位阻效应】

模拟显示在C₀=0.2 M时，考虑空间位阻的MPNP计算得到的最大阳离子浓度c_+,max比标准PNP计算降低83%，但最大流速u_max反而提升25%。这种"抑制浓度却增强流速"的反常现象源于离子重分布带来的电荷补偿效应。

【ICEO流速随离子浓度的单调依赖性】

当ν从0.06增至0.24（对应C₀从0.05至0.2 M），u_maxU_c/U₀呈现对数增长趋势：u_max≈0.27(log₁₀C₀+3)。这种规律在E₀=10 MV/m强场下尤为显著，解释了Feng等实验观测到的浓度正相关性。

【二维空间位阻的作用机制】

关键发现是当ν>0.1时，离子堆积会改变电双层外部的空间电荷分布。在高浓度区（C₀>0.1 M），过剩离子形成的"负空间电荷区"减弱了传统PNP理论预测的离子耗竭效应，使实际流速更接近理论值。

这项研究从根本上修正了对ICEO机理的认知，指出在微纳流体器件设计中必须考虑离子尺寸效应。特别是在生物医学应用的生理盐浓度（~0.15 M）条件下，空间位阻效应可使流速预测准确性提高16%。研究建立的MPNP模型为下一代主动式微流控芯片的设计提供了关键理论工具，其揭示的"浓度-流速"定量关系将帮助研究人员更精准地调控微尺度流体行为。论文创新性地证明，通过合理设计电解质浓度和电场强度，可以突破传统ICEO的性能瓶颈，这为开发新型药物递送系统、单细胞分析平台等高精度微流控装置开辟了新途径。