圆锥形纳米孔的整流特性：微型化的后果
软凝聚态物质
2017-09-13 v3 数值分析
生物物理
计算物理
摘要
纳米孔作为生物传感器的模板以及理解纳米尺度输运现象的模型系统，引起了广泛的科学兴趣。迄今为止，纳米孔的实验和理论分析一直集中于理解孔径开口直径对离子输运的影响。本文系统地研究了离子输运特性对孔长度的依赖性。特别关注了具有均匀表面电荷的圆锥形纳米孔所表现出的离子电流整流效应。我们发现，减小圆锥形纳米孔的长度会显著降低其整流离子电流的能力。然而，可以通过定制表面电荷和窄开口的形状来增强短孔的整流特性。此外，我们分析了不同孔长度下整流行为与离子选择性之间的关系。所有模拟均使用 MsSimPore 软件包进行，该软件包用于求解 Poisson-Nernst-Planck (PNP) 方程。它基于一种新型有限元求解器，允许模拟高达 -2 e/nm^2 的表面电荷密度。MsSimPore 基于 PNP 模型的一维简化，但允许直接处理带有本体电解质储层的孔，这一特性此前仅在高维模型中使用过。MsSimPore 在计算中包含了这些储层；这一特性对于短孔尤为重要，因为在短孔中，离子浓度和电势在孔内以及孔入口附近的区域变化剧烈。
引用
@article{arxiv.1209.4164,
title = {Rectification properties of conically shaped nanopores: consequences of miniaturization},
author = {Jan-Frederik Pietschmann and Marie-Therese Wolfram and Martin Burger and Christina Trautmann and Gael Nguyen and Matthew Pevarnik and Veronika Bayer and Zuzanna Siwy},
journal= {arXiv preprint arXiv:1209.4164},
year = {2017}
}