二维空间位阻效应显著增强高浓度离子环境下金属圆柱诱导电荷电渗流速度的机制研究

研究人员针对传统理论预测与实验测量间ICEO（诱导电荷电渗流）流速差异达10倍以上的问题，通过建立考虑离子尺寸位阻效应的MPNP（修正泊松-能斯特-普朗克）模型，首次在0.2 M高浓度电解液中实现二维直接模拟，发现离子重分布可补偿双电层外离子短缺现象，使流速提升16%。该研究为微流控器件设计提供了理论突破。

　　

在微流控芯片和纳米流体器件领域，诱导电荷电渗流（ICEO）因其在1V低电压下即可产生毫米级流速的特性，被广泛用于生物分子操控和微泵设计。然而困扰学界20年的核心矛盾在于：标准理论预测的流速值常比实验测量高出一个数量级。日本信州大学机械系统工程系的Hideyuki Sugioka团队通过《Next Materials》发表的研究，首次从二维空间位阻效应角度揭开了这一谜团。

研究团队采用有限元-有限体积混合算法，耦合求解MPNP方程与斯托克斯方程，在100 nm间隙的电极系统中设置1 nm离子堆积尺寸参数，对0.001-0.2 M浓度范围的电解液进行动态模拟。关键技术包括：①建立包含ν=2C₀a₀³位阻系数的MPNP控制方程；②采用人工通量边界条件处理电极边界；③通过特征速度U₀=εC_dE₀²/μ实现参数无量纲化。

【ICEO涡流考虑位阻效应】

模拟显示在0.2 M浓度下，考虑1 nm离子尺寸时正离子最大浓度c_+,max被抑制至标准PNP计算的1/6，但最大流速u_max反而提升25%。通过θ=45°截面分析发现，位阻效应使双电层外形成负空间电荷区，导致标准模型高估了离子短缺效应。

【2D位阻效应增强ICEO流速】

当C₀从0.05 M增至0.2 M时，ν从0.06升至0.24，u_maxU_c/U₀呈现0.27(log₁₀C₀+3)的对数增长规律。关键机制在于：高浓度电解液中溢出离子在二维约束下重新分布，补偿了高压（1V，对应E₀=10 MV/m）导致的离子耗尽效应。

【浓度依赖性机制】

在a₀=1 nm条件下，阈值浓度C₀^th≈0.2 M时出现显著增强效应。比较PNP与MPNP结果发现，当ν>0.1（对应C₀>0.05 M）时，流速增强效应开始显现，这与Feng等人的实验数据趋势一致。

该研究首次量化了二维空间位阻对ICEO的增强机制，修正了传统理论中"位阻效应总是抑制流动"的认知。研究指出在E₀>10 MV/m的高场强下，微流控器件采用高浓度电解液（>0.1 M）可突破现有速度极限，为设计新型纳米流体泵提供了理论依据。同时，研究揭示的离子短缺效应解释了为何标准理论会高估实测流速，为过去20年ICEO研究中的理论-实验差异提供了合理解释。