Verbesserte ionische Stromrektilifikation unter Verwendung von zylindrischen Nanokanälen, die mit Polyelektrolyt-Schichten ungleichmäßiger Dicke beschichtet sind

Kegelförmige Nanokanäle, die zur Erzeugung von ionischer Stromrektilifikation (ICR) in nanofluidischen Geräten eingesetzt werden, sind aufgrund der Verengung an einem Ende anfällig für Verstopfung. Als alternative Methode zur Erzeugung von ICR wird in der vorliegenden Studie ein zylindrischer Nanokanal vorgeschlagen, der mit einer Polyelektrolyt-Schicht (PEL) variabler Dicke bedeckt ist. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Designs wird durch numerische Lösung der grundlegenden Gleichungen, einschließlich der Poisson-, Nernst-Planck- und Stokes-Brinkman-Gleichungen, untersucht. Darüber hinaus wird der grundlegende Mechanismus hinter der ICR anhand eines vereinfachten eindimensionalen Modells erklärt. Die Effekte des Nanokanalradius, der Konzentration der fixierten Ladungen der PEL und der ionischen Konzentration der Masse auf den Rektilikationsfaktor werden dann im Detail untersucht. Es wird gezeigt, dass der vorgeschlagene Nanokanal größere Rektilationsfaktoren im Vergleich zu kegelförmigen Nanokanälen über weite Bereiche der Konzentration fixierter Ladungen und der ionischen Massenkonzentration bietet. Eine solche Leistung kann sogar bei Kanalradien erreicht werden, die viel größer sind als der Spitzenradius von kegelförmigen Nanokanälen, was nicht nur auf die bessere Leistung des vorgeschlagenen Nanokanals hinweist, sondern auch auf seine voraussichtlich längere Lebensdauer, da die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Blockierung des ionischen Stroms verringert wird. Dies bedeutet, dass der vorgeschlagene Nanokanal eine weit verbreitete Verwendung in fluidischen Geräten finden könnte, als Ersatz für kegelförmige nanofluidische Dioden.