Numerical Analysis of Ion Concentration Polarization in a Nanochannel using EDL Model : 이온 농도 분극을 위한 나노유체장치에서 나노채널의 전기이중 층 COMSOL 시뮬레이션 분석: 전기장; 전기삼투 유동; 이온 이동

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Over the past few years, the experimental and computational analysis of Ion concentration polarization (ICP) phenomenon has been researched in the nanofluidic device. However the ICP has not been fully defined due to problems of analysis inside the nanochannel including external potential, surface potential for EDL (Electric double layer), ions transport with osmotic flow by external and surface potential of nanofluidic device. These problems of analysis are making difficult to analyze the ICP of nanofluidic device. Hence, we propose the computational simulation of nanochannel using COMSOL Mulitphysics for ICP phenomenon with each effects inside the nanochannel. We analyzed the electric field with boundary conditions of surface potential, surface charge density, and EDL model which is derived from Gouy-Chapman model. Also, each elctroosmotic flows by three electric field are generated respectively. Finally, Ions transports in the nanochannel by each electric field and osmotic flow are analyzed compared to each other computational simulations. As a result, we confirmed that three different electric fields make different osmotic flows and ions transports respectively. This result is meaningful for analysis of ICP phenomenon by electric field composed of EDL model which is from Gouy-Chapman, recent model at surface of nanochannel.

국문 초록 (Abstract)

기존에 연구되고 있는 음극으로 대전된 나노채널에서의 이온 농도 분극은 나노채널 표면에서의 해석의 어려움으로, 아직까지도 현상을 완전히 정의 하지 못하고 있다. 따라서 우리는 현재까지 대전된 표면에서의 가장 신뢰받는 모델인 Gouy-Chapman 이론을 반영하여 나노채널의 COMSOL 시뮬레이션 결과를 제안하고자 한다. 기존 이온 농도 분극 해석을 위한 시뮬레이션 경계조건인 표면 전하 밀도를 사용한 이온 농도 분극 결과와 우리가 Gouy-Chapman 수식을 이용하여 만든 전기이중층 모델을 사용한 이온 농도 분극 결과를 비교한다. 또한, 나노채널 직경의 크기에 따른 나노채널 내부의 해석을 한다.
나노채널 내부에서의 이온 농도는 전기 영동, 이온의 확산, 그리고 전기삼투 유동을 통해 이루어 진다. 기존의 방식과 우리의 전기이중 층 모델을 사용한 방식의 나노채널에서의 이온 농도 결과는 확연하다. 전기이중 층 모델에서의 전기적 영향력을 나타내는 Debye length의 길이가 3 nm 정도로, 매우 짧기 때문이다. 따라서 전기이중 층 모델을 사용한 전기 농도 분극 현상을 보이기 위해서는 작은 직경을 가지는 나노채널에서의 해석이 필요하다. 반지름이 50 nm일때의 채널에서는 나노채널의 내부까지 대전된 표면의 효과를 줄 수 없었지만, 반지름 5 nm의 좁은 채널에서는 대전된 표면의 영향력이 나노채널 내부까지 미치게 되었다. 하지만 기존의 표면 전하 밀도 경계조건을 사용한 결과에서는 나노채널의 직경에 따른 이온 농도변화를 크게 보지 못하였다. 이렇게 이온 농도 분극을 보기 위한 시뮬레이션에서 기존에 사용된 방법과 우리가 전기이중 층 모델을 시뮬레이션 결과에서 이온 농도 분극 해석 결과는 많은 차이를 보였다.
또한, 우리의 Gouy-Chapman 모델을 사용한 이온 농도 분극 시뮬레이션은 다른 연구자들이 하는 볼츠만 이온 분배 수식을 사용한 결과와는 달리, 직접 나노채널 내부의 전기장 및 유체장 형성을 통한 이온 농도 분극 결과이기에 의미를 더한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1-
• 1.1 Objectives and Motivations 1--
• 1.2 Hypotheses 3--
• 1.3 Background Information 5--
• 1.3.1 Definition of ICP 5--
• 1.3.2 History of ICP 12--
• 1.3.3 Applications of nanofluidic device using ICP phenomenon 13--
• 2. MATERIALS AND METHODS 18--
• 2.1 Chapter Overview 18--
• 2.2 Theory 19--
• 2.2.1 External potential 19--
• 2.2.2 Electro double layer (EDL model) 19--
• 2.2.3 Electroosmosis by external and surface potential 22--
• 2.2.4 Ion transport by electric field and electroosmotic flow 24--
• 2.3 Analysis of ICP phenomenon in the nanofluidic device using COMSOL Multiphysics 25--
• 2.3.1 Geometry 25--
• 2.3.2 External potential (Electrostatic physics) 27--
• 2.3.3 Surface potential using potential boundary condition (Electrostatic physics) 27--
• 2.3.4 Surface potential using surface charge density boundary condition (Electrostatic physics) 30--
• 2.3.5 Surface potential using EDL model (User made physics) 30--
• 2.3.6 Electroosmosis (Laminar flow physics) 33--
• 2.3.7 Ion transport through nanochannel (Transport of diluted species physics) 35--
• 3. RESULTS AND DISCUSSION 38--
• 3.1 Potential in the nanochannel 38--
• 3.1.1 External potential 38--
• 3.1.2 Surface potential 41--
• 3.1.3 Surface charge density 44--
• 3.1.4 EDL model 47--
• 3.2 Electroosmotic flow in the nanochannel 50--
• 3.2.1 Velocity of electroosmotic flow 51--
• 3.2.2 Pressure in the nanochannel 56--
• 3.3 Ion transport 59--
• 3.3.1 Na flux by electrophoresis, diffusion, and convection (electroosmotic effect) 60--
• 3.3.2 Cl flux by electrophoresis, diffusion, and convection (electroosmotic effect) 67--
• 3.3.3 Na concentration in the nanochannel 74--
• 3.3.4 Cl concentration in the nanochannel 84--
• 4. CONCLUSION 94--
• 4.1 Conclusion 94--
• 4.2 Future work 94--
• REFERENCES 96