Modulation Mechanism of Ionic Transport through Short Nanopores by Charged Exterior Surfaces
本研究通过模拟亚200纳米短纳米孔，揭示了带电外表面通过增加离子浓度和迁移速度及电场强度来增强离子电导的机制，为多孔膜设计提供指导。
2024-02-07 cond-mat.soft physics.chem-ph
Pressure Induced Enlargement and Ionic Current Rectification in Symmetric Nanopores
固态膜中的纳米孔是能够探测纳米流体现象的工具，或者可以充当单个分子传感器。它们在过滤、脱盐或渗透发电中也有不同的应用。这些应用中的许多涉及化学或流体静压差，其作用于支撑膜和通过孔的离子运输。通过使用膜的两侧之间的压力差，和一个交流的方法来探测离子传输，我们调查了两个不同的物理现象：通过测量在纳米孔的应变的膜的弹性形变，和由于孔入口效应的离子电流整流与压力的增长。
2020-07-23 cond-mat.soft physics.app-ph
Beyond the Tradeoff: Dynamic Selectivity in Ionic Transport and Current Selectivity
传统上，纳米孔和纳米多孔膜中的离子选择性被理解为德拜重叠的结果，其中德拜屏蔽长度与沿着纳米孔长度的某处的纳米孔半径相当。该标准对离子选择性纳米孔的尺寸设置了显著限制，因为对于典型的离子浓度，德拜长度在1 - 10 nm的量级。然而，我们在这里提出的分析结果表明，表面电导产生的动态选择性离子传输，这种选择性是由所谓的Dukhin，而不是德拜，重叠控制。Dukhin长度，定义为表面与体电导的比率，对于典型的表面电荷密度和离子浓度达到数百纳米的值，这表明设计大纳米孔（10 - 100 nm）、表现出显著离子选择性的高电导膜的可能性。这种膜将对渗透能量转化和分离技术的效率具有潜在的显著影响。此外，我们证明，这种机制的动态选择性最终导致整流的离子电流，合理化以前的研究表明，德拜重叠是不是一个必要条件的整流行为发生在纳米孔。
2020-08-04 cond-mat.soft
Dehydration and ionic conductance quantization in nanopores
在过去的十年里，在鉴定生物孔（离子通道）的结构和功能以及制造合成孔方面取得了巨大的实验进展。尽管取得了这一进展，许多问题仍然存在于这些系统中的离子传输的机制和普遍特征。在本文中，我们研究使用纳米孔探测离子传输和构建功能性纳米器件。具体来说，我们专注于新预测的现象，在纳米孔中的量子化离子电导作为有效孔半径的函数-预测，产生一个特别透明的方式来探测脱水对离子传输的贡献。我们研究了离子物种在孔隙内外水化层形成中的作用。我们发现，离子类型中的离子电导的预测步骤的径向位置中只起次要作用。然而，具有较高化合价的离子形成更强的水合壳，并且因此提供甚至更显著的离子电流下降，并且因此更容易检测到离子电流下降。用合成纳米孔直接测量这种现象，或从产生的噪声中测量这种现象，将提供由于纳米尺度下的微观特征而导致的与宏观（连续）介电行为的偏差的证据，并可能揭示更复杂的生物通道中离子的行为。
2010-11-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Ionic current inversion in pressure-driven polymer translocation through nanopores
我们预测流动电流反转与多价抗衡离子在流体动力学驱动的聚合物易位事件从相关校正的电荷传输理论，包括平均场静电周围的电荷波动。在多价反离子存在下，静电多体效应导致DNA电荷的反转。阴离子对电荷反转的DNA分子的吸引使通过孔的离子电流的符号反转。我们的理论允许一个全面的理解所产生的流动电流的复杂功能。其潜在机制是一种有效的方法来检测DNA电荷反转的压力驱动易位实验与多价阳离子。
2015-02-01 cond-mat.soft
Rectification of bipolar nanopores in multivalent electrolytes: effect of charge inversion and strong ionic correlations
双极纳米孔由于纳米孔壁上电荷图案的不对称性而具有强大的整流特性。特别地，双极纳米孔沿孔轴具有正表面电荷和负表面电荷。如果纳米孔的半径与电解质的屏蔽长度相比小，则整流是强的，使得阳离子和阴离子在各自的区域中都具有耗尽区。这些耗尽区的深度对外部电压的符号敏感。在这项工作中，我们感兴趣的是由于多价离子和大的表面电荷的存在下的强离子相关性（离子之间和离子与表面电荷之间）的存在下的效果。我们表明，强离子相关性导致泄漏的coions，一种现象，是不存在的平均场论。在这个建模研究中，我们使用的平均场泊松-能斯特-普朗克（PNP）理论和粒子模拟方法，局部平衡蒙特卡罗（LEMC），表明过充电和电荷反转的现象，如不能与PNP再现，而LEMC是能够产生非单调依赖的电流和整流作为表面电荷强度的函数。
2020-11-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Pink noise of ionic conductance through single artificial nanopores revisited
我们报告电压钳测量通过化学蚀刻聚酰亚胺薄膜中的单个离子轨道获得的单个锥形纳米孔。特别注意的粉红色噪声的离子电流（即$1/f$噪声）与不同的填充液体测量。相对粉红噪声振幅几乎是独立的浓度和pH值的KCl溶液，但强烈使用离子液体变化。特别是，我们表明，取决于离子液体，载流子的运输强烈促进（低噪声和较高的电导率比在散装）或堵塞。这些结果表明，粉红噪声的起源可以归因于既不是波动的孔几何形状，也不是孔壁电荷，而是一个合作的离子运动的影响。
2010-09-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Abnormal Ionic Current Rectification Caused by Reversed Electroosmotic Flow under Viscosity Gradients across Thin Nanopores
单纳米孔由于其广泛的应用而吸引了许多科学兴趣。大多数实验都是在纳米孔与膜两侧的相同电解质接触的情况下进行的，而跨半透膜的溶液梯度在自然系统中无处不在。在这篇手稿中，我们研究了离子和流体运动通过薄纳米孔粘度梯度下的实验和模拟。在这些条件下观察到离子电流整流，由于具有不同电导率的溶液填充在不同的偏压下所造成的电渗流的孔。我们发现，充满高粘度溶液的孔表现出电流增加与施加的电压在一个陡峭的斜率超过阈值电压，这异常降低了电流整流比。通过模拟，我们发现反向电渗流，填充孔与较低粘度的水溶液是负责这种行为。反向电渗流可以解释为沿孔的共离子比抗衡离子消耗得慢。通过增加孔表面的表面电荷密度，电流整流比可以达到穿过薄纳米孔的粘度梯度的值。我们的研究结果揭示了在进行跨纳米孔和纳米流体通道的粘度梯度实验时要考虑的基本方面。
2018-12-09 cond-mat.soft physics.chem-ph
A universal approximation for conductance blockade in thin nanopore membranes
针对薄纳米孔中接入电阻建模不准的问题，结合第一性原理、多尺度建模与实验验证提出统一解析框架，可在宽参数范围内更准确预测电导阻塞并推断分析物尺寸。
2023-12-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Ionic transport through sub-10 nm diameter hydrophobic high-aspect ratio nanopores: experiment, theory and simulation
在纳米尺度上离子传输的基本理解是必不可少的开发基于纳米孔技术和新一代高性能纳滤膜分离和纯化应用的生物传感器。我们在这里研究了离子通过具有高纵横比（长度L=6 μm，直径范围从1到10 nm）和具有良好控制的圆柱形几何形状的单个纯中性疏水纳米孔的传输。我们开发了一个详细的混合介观理论方法的纳米孔内的电解质电导率，明确考虑离子平流电渗流和可能的流动滑移在孔表面。通过拟合实验电导数据，我们表明，对于纳米孔直径大于4 nm的恒定弱表面电荷密度约10 $^{-2}$ C m $^{-2}$需要纳入模型中，以考虑在低盐浓度的几个皮西门子的电导平台。对于更紧密的纳米孔，我们的分析导致更高的表面电荷密度，这可以归因于靠近孔表面的离子溶剂化结构的改变，正如我们进行的分子动力学模拟中观察到的那样。
2015-06-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.chem-ph
Ionic Selectivity of Nanopores: Comparison among Cases under the Hydrostatic Pressure, Electric Field, and Concentration Gradient
本文通过有限元模拟比较电场、静水压和浓度梯度下带负电纳米孔的阳离子选择性，揭示其排序及孔结构、电荷、盐浓度等调控规律。
2024-10-27 cond-mat.soft physics.chem-ph
Quantum Analogies in Ionic Transport Through Nanopores
纳米孔或纳米通道中的离子转运是许多细胞过程的关键，并且现在正在探索作为DNA/聚合物测序和检测的方法。虽然在其范围内显然是简单的，在有限的几何形状的离子动力学的研究揭示了有趣的新现象，几乎有一个与量子制度一一对应。由此可见，离子可以形成两种“准粒子”状态，一种状态是它们被电荷相反的其他离子包围-离子气氛，另一种状态是半束缚水分子在离离子不同距离处形成层-水合层。第二种状态产生了两个额外的效果。在第一个，这是一个单一的准粒子效应，通过纳米孔的离子电导被预测为“量子化”作为孔半径的函数，与相应的“量子化单位”不相关的通用常数-如普朗克常数和元电荷-而是水化层的半径。第二种效应涉及相同符号的离子准粒子之间的多体相互作用，并且当孔具有有限的电容以容纳离子时发生，使得存在阈值浓度，超过该阈值浓度，相同符号的离子在能量上不被允许进入孔。类似于电子输运的情况下，离子对应物只出现在“量子”制度，当形成离子准粒子的水化层需要打破，以通过孔。在这里，我们回顾了所有这些现象，并讨论了条件下，他们可能会被检测到的电子传输的情况下进行类比。由于纳米孔正在被考虑用于DNA测序和检测中的许多技术应用，我们预计这些现象将变得非常相关，并且它们的理解对进展至关重要。
2013-05-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Role of charge regulation and flow slip on the ionic conductance of nanopores: an analytical approach
纳米孔中精确电导测量的数量正在快速增长。为了阐明起作用的主导机制并促进对仍然没有明确共识的此类系统的表征，我们提出了一种分析纳米孔中离子电导的方法，该方法考虑了（i）电渗效应，（ii）疏水纳米孔的孔表面处的流动滑移，（iii）使用简单电荷调节模型由储层$p$ H和盐浓度$c_s$调节的表面电荷密度的分量，和（iv）不受$p$ H和$c_s$影响的固定表面电荷密度。极限情况下，探讨了各种范围的盐浓度和我们的公式是用来适应电导实验中发现的文献中的碳纳米管。这种方法使我们能够编目不同的可能的运输制度，并提出了各种各样的目前已知的实验行为的电导与$c_s$的解释。
2018-07-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.chem-ph
Ion size effects at ionic exclusion from dielectric interfaces and slit nanopores
先前开发的场论模型[R. D. Coalson等人，J.Chem.Phys.102，4584（1995）]，其在相同的基础上处理核碰撞和库仑相互作用，以理解离子尺寸对中性和带电粒子在平面界面处的分配的影响以及狭缝纳米孔的离子选择性。我们引入了一个变分方案，可以超越平均场（MF）制度，并以一致的方式耦合孔改性的核心相互作用，空间位阻效应，静电溶剂化和图像电荷力，和表面电荷诱导的静电势。我们表明，在稀释的限制，MF和变分理论符合MC模拟结果，在最近的RPA方法相比。研究了带电汤川粒子在中性介质界面（如空气-水或蛋白质-水界面）的分配。它示出，作为一个结果的核心碰撞之间的竞争，推动离子的表面，排斥溶剂化和图像的力量，排除他们从接口，浓度峰值的有限大小的离子集在接近的电介质界面。我们还表征了中性狭缝纳米孔的离子选择性的离子尺寸所发挥的作用。我们发现，复杂的相互作用之间的静电力，排除体积效应引起的核心碰撞和空间效应导致一个意想不到的逆转，在不同孔径的孔的离子选择性：而大孔表现出更高的电导率为大离子，窄孔排除大离子比小的更有效。
2011-06-02 cond-mat.soft
A Numerical Investigation of Analyte Size Effects in Nanopore Sensing Systems
我们通过数值求解理想模型的电动平均场方程来研究DNA纳米孔易位设置中的离子电流调制。具体而言，我们研究的离子电流的依赖性上的相对长度的易位分子。我们的模拟表明，在低盐浓度下，DNA分子的离子电流比孔短得多。这些效应可以归因于离子云沿着DNA的极化，其导致相反的电偶极子场。我们的研究结果为DNA发光的无限孔模型和各种大小的DNA复合物的实验数据之间观察到的差异。
2021-07-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
A variational approach to the liquid-vapor phase transition for hardcore ions in the bulk and in nanopores
我们采用场论变分方法研究离子溶液在巨正则系综中的行为。为了正确描述离子之间的核心相互作用，我们使用傅立叶空间中的截止值作为巨势的静电贡献，并使用具有修改的化学势的Carnahan-Starling状态方程作为压力势。我们首先校准我们的方法，通过比较其预测在室温下与Monte Carlo结果的过剩化学势和能量。然后，我们验证我们的方法在体相描述的经典的“离子液体-蒸汽”相变诱导的离子相关性在低温下，在室温下将其应用到电解质局限于纳米孔嵌入在低介电介质中，并耦合到外部的离子库。然后正确地描述纳米孔中的离子浓度，从非常低的本体浓度（其中介电排阻将过渡转移到室温，用于足够紧密的纳米孔）到高浓度（其中硬核相互作用占主导地位，如预期的那样，仅稍微改变这种离子“毛细管蒸发”）。
2016-04-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Revisiting the access conductance of a nanopore in a charged membrane
School of Physics, Chemistry and Earth Sciences, The University of Adelaide（阿德莱德大学物理、化学与地球科学学院）
本文推导了纳米孔在超薄膜中电场驱动电流的解析和半解析方程，揭示了离子电导与孔径和德拜长度的分数幂关系，并扩展了膜纳米孔电导理论的应用范围。
2025-11-11 cond-mat.soft
Ionic exclusion phase transition in neutral and weakly charged cylindrical nanopores
采用场论变分法研究了离子在与大体积储层相平衡的充水圆柱形纳米孔中的渗透。结果表明，（i）位于中性孔中的离子经历两种相反的机制：其周围的相反电荷的离子云相对于储层的变形，这增加了表面张力并倾向于将离子排除在孔之外，和（ii）与溶剂和孔壁之间的介电跳跃相关的排斥性镜像力对离子自能的吸引作用，当离子进入孔时，其变得越来越被屏蔽。对于孔半径约1 nm和本体浓度低于0.2 mol/L，这种机制导致一级相变，类似于毛细管“蒸发”，从离子渗透状态到离子排斥状态。在生物浓度范围内（~ 0.15 mol/L），当膜介电常数小于5时，不连续的相变仍然存在。在弱荷电孔隙中，反离子渗透表现出非单调行为，并具有两个特征：在低储层浓度或小孔隙半径时，共离子被排除，反离子的能垒降低，但镜像力仍然足够强，因此反离子在孔隙中的分配系数随储层浓度的增加而降低，直到一个特征值;对于较大的储层浓度，镜像力被屏蔽，并且抗衡离子的分配系数随着储层电解质浓度而增加。
2011-05-13 cond-mat.soft
Measuring the characteristics of electroosmotic flow in a polyelectrolyte grafted nanopore by molecular theory approach
在本文中，我们提出了一个分子理论分析的离子和电位分布，电离度的聚乙烯（PE）刷，速度分布，体积流量，离子选择性，离子传导和平流的电渗流在聚酸（PA）/聚碱（PB）接枝纳米孔。生成的构象由旋转异构态模型用于执行的自由能功能的系统，包括从介电常数，电解质的pH值，接枝密度弱PE刷，离子分区和离子大小的变化所产生的玻恩能量的影响的最小化。然后，在考虑流体/壁面滑移的情况下，求解Navier-Stokes-Brinkman方程，得到速度场。此外，数值解的准确性进行检查，通过比较目前的离子电导率与现有的实验数据的纳米孔接枝与4PVP刷用作合成质子门控离子通道的结果。本方法的应用使我们能够描述的电渗流在PE接枝的纳米孔的电流体动力学特性的不同因素，包括电解质的pH值，本体盐浓度和PE刷的接枝密度。我们表明，感兴趣的量的依赖性基本上依赖于聚合物链的类型。例如，增加电解质的pH导致PA/PB刷中带电位点的程度增加/减少，并且PA/PB接枝纳米孔的离子选择性的大小随电解质的pH的变化存在最小/最大点。然而，对于两种类型的PA和PB接枝的纳米孔，离子传导和平流大致是本体盐浓度和PE层的低范围接枝密度的上升函数。
2020-06-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Current enhancement in solid-state nanopores depends on three-dimensional DNA structure
双链DNA通过固态纳米孔的移位可以根据周围溶液的离子浓度降低或增加离子电流。在某一交叉离子浓度以下，电流变化从电流阻断反转为电流增强。在本文中，我们表明，由多个连接的DNA双螺旋组成的捆绑的DNA纳米结构的交叉浓度低于双链DNA。我们的测量结果表明，在DNA附近的反离子的流动性减少取决于分子的三维结构。我们进一步证明，引入中性聚合物，如聚乙二醇到测量溶液中减少了从纳米孔的电渗流出，允许在低盐浓度下大的DNA结构的易位。我们的实验有助于更好地理解在受限的DNA环境中的离子传输，这对于纳米孔传感技术以及合成膜通道的发展至关重要。我们的模型DNA纳米结构的盐依赖性测量将指导DNA易位通过纳米孔的计算模型的发展。
2019-05-31 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Controlling ion transport through nanopores: modeling transistor behavior
我们提出了一个基于纳米孔的晶体管计算的平均场连续理论（泊松-能斯特-普朗克，PNP）和混合方法，包括粒子模拟（局部平衡蒙特卡罗，LEMC），能够考虑到离子的相关性，包括有限尺寸的离子的建模研究。该模型由沿着孔轴的三个区域组成，其中左区域和右区域确定作为主要载流子的离子物质，并且中心区域调节该物质的浓度，并且因此调节流过纳米孔的电流。我们考虑一个模型的小尺寸与孔半径可比的德拜屏蔽长度（$R_{\mathrm{pore}}/λ_{\mathrm{D}}\approx 1$），其中，连同大的表面电荷提供了一种机制，用于创建耗尽区，从而控制通过设备的离子电流。我们报告的缩放行为的设备作为一个函数的$R_{\mathrm{pore}}/λ_{\mathrm{D}}$参数。PNP和LEMC结果之间的定性协议表明，平均场静电效应决定器件的行为，以一阶。
2018-06-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
The Power Spectrum of Ionic Nanopore Currents: The Role of Ion Correlations
利用线性化平均场论和Langevin动力学模拟计算了电场驱动离子通过圆柱形纳米尺度孔输运的功率谱。以原子大小的截止半径作为唯一的拟合参数，线性化平均场论准确地捕获了模拟的功率谱密度对孔半径和施加的电场的依赖性。值得注意的是，线性化平均场论预测在低频$ω$的功率谱密度中有一个平台，这在低离子浓度下通过朗之万动力学模拟得到了证实。然而，在高离子浓度下，功率谱密度遵循幂律，这让人想起在低频下实验发现的$1/ω^α$依赖性。基于有和没有离子-离子相互作用的模拟，我们将低频幂律依赖性归因于离子-离子相关性。最后，我们表明，表面电荷密度没有影响的功率谱的频率依赖性。
2015-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Conductance of ion channels and nanopores with charged walls: a toy model
我们考虑通过脂质膜中的蛋白质离子通道和硅膜中充满水的纳米孔的离子运输。已知的是，由于水和周围材料的介电常数的大比率，放置在通道内的离子面对大的静电自能势垒。势垒导致通道的指数大的电阻。我们研究了位于通道内壁上的不动电荷的静电势垒的减少。我们表明，势垒实际上已经消失在相对较小的浓度的壁电荷。
2005-06-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft q-bio.CB
Dramatic pressure-sensitive ion conduction in conical nanopores
自然界中的离子转运蛋白表现出丰富的复杂转运特性，如电压门控、激活和机械敏感行为。当结合时，这些过程导致先进的离子机器实现主动离子传输、高选择性或信号处理。在人工方面，最近在离子通道的设计和运输研究方面取得了很大进展，但模仿离子转运蛋白的高级功能仍然遥不可及。一个先决条件是对外界刺激敏感的离子反应的发展。在目前的工作中，我们报告了一个违反直觉的和高度非线性的耦合之间的电和压力驱动的运输在一个圆锥形的纳米孔，表现为一个强大的压力依赖性的离子电导。这个结果与标准线性响应理论不一致，并且类似于机械晶体管功能。我们充分合理化的基础上，在锥形孔的耦合电流体动力学的Poisson-Nernst-Planck-Stokes框架。该模型被示出为捕获在纳米孔中的扩展的空间带电区域内发生的微妙的机械平衡。对机械力的显著敏感性提供了通过机械刺激调节离子传输的线索。这里提出的结果提供了一个有前途的途径定制的膜功能的设计。
2020-05-06 cond-mat.soft
Theory of fluid slip in charged capillary nanopores
基于毛细孔模型（空间电荷理论）的组合流体和离子流通过圆柱形的纳米孔或纳米管，我们推导出修改后的连续方程，包括壁滑移。我们重点讨论了离子电导和流电导，以及与动电能转换和电渗泵相关的交叉系数。我们结合的理论与Langmuir-Stern 1-pK电荷调节边界条件，导致在盐浓度的交叉系数的非单调依赖。
2016-03-30 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
Breakdown of electroneutrality in nanopores
近年来，由于其独特的物理性质以及使我们能够研究它们的技术进步，极窄纳米通道中的离子传输获得了越来越多的关注。利用为更广泛的微流体设备开发的工具和知识来接近这一机制是很诱人的，并使用连续模型，如Poisson-Nernst-Planck方程。然而，事实证明，我们在一个大系统中认为理所当然的一些最基本的原则，如电中性，在极端的限制下可能会崩溃。我们表明，在一个真正的一维系统中，与三维静电相互作用，屏蔽长度是指数大的离子间距，可以很容易地超过宏观长度的纳米管。没有屏蔽，电中性被打破，离子传输可以以完全不同的方式表现。在这项工作中，我们建立了一个理论框架，在一维纳米孔的电中性击穿，并显示它如何提供一个优雅的解释，在碳纳米管的离子电导的实验测量中观察到的特殊缩放。
2020-02-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Electrostatics of ions inside the nanopores and trans-membrane channels
本文研究了一个有限圆柱形离子通道的模型，该离子通道穿过一个宽度为$L$的磷脂膜，将两个电解质池隔开。泊松方程的解析解得到的任意分布的离子内的跨膜孔。在膜两侧电解质离子强度较大的极限下，该解是渐近精确的。然而，即使是生理浓度的电解质，静电势垒的大小发现使用的理论是在很好的协议与泊松方程的数值解。的分析解决方案是用来计算的静电势能分布的孔含有带电的蛋白质残基。半精确的电子势能的可用性将极大地促进通过纳米孔和离子通道的离子传输的研究。
2006-08-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Water-mediated interactions between hydrophobic and ionic species in cylindrical nanopores
本文采用Metropolis Monte Carlo方法和伞形抽样方法计算了两个甲烷分子及其带电衍生物在圆柱形充水孔隙中的相互作用自由能。约束强烈地改变了非极性溶质之间的相互作用，并完全消除了在本体水中看到的溶剂分离最小值（SSM）。自由能分布表明，甲烷分子是在接触或在相应的圆柱形孔的直径和长度的分离。分析计算，估计的溶质，这是在孔表面溶剂化的熵，定性地解释了自由能分布的形状。向甲烷分子中加入符号和大小相反的电荷$0.4e$或$e$（其中$e$是电子电荷），降低了甲烷分子表面溶剂化的趋势，并恢复了SSM。我们表明，约束诱导离子对的形成发生时，$l_B/D \sim O(1)$，其中$l_B$是Bjerrum长度，和$D$是孔径。SSM的稳定程度随着离子电荷密度的增加而增加，只要$l_B/D < 1$。在具有$D \le 1.2$ nm的孔中，其中水强烈分层，将电荷量从$0.4e$增加到$e$会降低SSM的稳定性。结果，促进了在本体中以可忽略的概率发生的离子对形成。在可以容纳溶质周围的完整水化层的较大直径的孔中，SSM的稳定性增强。
2009-01-19 cond-mat.other cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Application of a bipolar nanopore as a sensor: rectification as an additional device function
我们建模和模拟的纳米孔传感器，选择性地结合分析物离子。这种结合导致背景电解质（KCl）的离子的局部浓度的调制，并且因此导致流过孔的离子电流的调制。纳米孔的壁携带双极电荷图案，其中较大的正缓冲区确定阴离子作为主要载流子，较小的负结合区包含结合位点。这种电荷模式被证明是一个适当的，如先前对不同电荷模式的比较研究所示（Mádai et al. \textit{J. Mol. Liq.}，2019，\textbf{283}，391- 398.）。正分析物离子的结合吸引孔中更多的阴离子，从而增加电流。孔的不对称性质导致额外的装置功能，整流。因此，我们的模型是一个双重响应装置。使用减少模型的纳米孔研究的混合计算机模拟方法（局部平衡蒙特卡罗耦合到能斯特-普朗克方程），我们表明，我们可以创建一个传感器，其潜在的机制是基于局部电场的变化，作为响应于不断变化的热力学条件。电场的变化导致局部离子浓度（耗尽区）的变化，并因此导致离子电流的变化。
2019-11-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.app-ph
How do ionic superdiscs self-assemble in nanopores?
本研究利用高分辨率双折射测量和同步辐射X射线三维倒易空间映射，揭示AAO纳米孔中多巴胺基DILC受孔壁锚定、亲疏水平衡及几何限域调控的新型自组装与相行为。
2024-01-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Ion transport through differently charged nanoporous membranes: from a single nanopore to multi-nanopores
该研究通过数值模拟比较均匀带电、单极和双极纳米孔阵列，揭示孔数、间距及电荷性质经由ICP影响孔间相互作用和总离子电流的机制。
2025-10-20 cond-mat.soft physics.chem-ph
Modulation of current through a nanopore induced by a charged globule: implications for DNA-docking
DNA通过纳米孔的过程可以有效地分解为两个不同的阶段，对接和实际易位。在实验中，每个阶段的特点是一个独特的电流签名，允许歧视的两个事件。然而，在低电压下，失去了两相的明显区别。通过使用数值模拟，我们澄清了与对接事件相关的电流签名如何取决于所施加的电压。模拟结果表明，在低电压下，由于载流子的富集，DNA球提高了孔电导。在高电压下，小球从孔区域排出大量的载流子，从而降低总电导。结果提供了一个新的解释电导的实验数据，并显示如何对接干扰易位信号，测序应用的潜在利益。
2015-07-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Biomimetic potassium selective nanopores
在人工纳米孔系统中再现生物离子通道所显示的精致的离子选择性已被证明是纳米孔界所承担的最具挑战性的任务之一，然而这一目标的成功实现提供了巨大的技术潜力。在这里，我们展示了一种设计固态纳米孔的策略，该纳米孔选择性地传输钾离子，并且对钠离子表现出可忽略的电导。纳米孔包含用4 '-氨基苯并-18-冠-6醚和位于一个孔入口处的ssDNA分子装饰的壁。离子选择性源于钾离子在含有冠醚的孔区域中的便利运输，而高电荷的ssDNA起阳离子过滤器的作用。在固态纳米孔中实现钾的选择性为先进的分离过程、更有效的生物传感技术和新型仿生纳米孔系统开辟了新的途径。
2018-11-28 cond-mat.soft physics.app-ph
Current rectification and ionic selectivity of alpha-hemolysin: Coarse-Grained Molecular Dynamics simulations
本研究利用MARTINI粗粒化分子动力学模拟α-溶血素纳米孔的离子输运，验证了电流不对称与阴离子选择性，并识别出关键带电氨基酸，提出微观解释。
2022-01-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Use of tunable nanopore blockade rates to investigate colloidal dispersions
弹性体膜中的可调纳米孔已被用于研究离子电流阻断速率对水性悬浮液中颗粒的浓度和电泳迁移率的依赖性。已经测试了一系列纳米颗粒尺寸、材料和表面功能。利用压力驱动的流动通过一个孔，发现100 nm羧基化聚苯乙烯颗粒的阻滞率与跨膜压力（控制在0 ~ 1.8 kPa之间）和颗粒浓度（在7 x 10^8 ~ 4.5 x 10^10 mL^-1之间）成线性比例。这个结果可以用能斯特-普朗克输运理论精确地模拟。仅使用一个施加的电位在一个孔，羧酸和胺涂覆的500 nm和200 nm的二氧化硅颗粒的封锁率被发现对应于其流动性的变化作为溶液pH值的函数。扫描电子显微镜和共聚焦显微镜已被用来可视化的可调纳米孔几何形状的变化在三维中作为施加的机械应变的函数。观察到的孔是圆锥形的形状，和孔径的变化是一致的离子电流测量。孔附近的非弹性变形区已被确定为在调谐过程中的关键。
2010-05-24 cond-mat.soft physics.ins-det
Colloquium: Ionic phenomena in nanoscale pores through 2D materials
通过纳米孔的离子传输渗透到许多科学和技术领域，从细胞行为到传感和分离，再到催化和电池。二维材料，如石墨烯、二硫化钼（MoS $_2$）和六方氮化硼（hBN），是这些领域的新成员。低维材料为开发过滤、传感和电力技术提供了新的机会，包括离子排斥膜、DNA测序、单分子检测、渗透发电等。此外，通过这些材料内的孔和收缩的离子传输的物理学是竞争性多粒子相互作用的不同领域（例如，溶剂化/脱水、静电阻断、氢键动力学）和限制。这开辟了创造仿生孔的替代途径，甚至可能在经典领域中给出量子现象的类似物，例如量子电导。这些前景使膜的二维材料-即，二维膜--很有趣。我们将讨论离子通过二维膜中的纳米孔传输的物理和应用。
2019-07-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Competition between Born solvation, dielectric exclusion, and Coulomb attraction in spherical nanopores
最近测量的一个非常低的介电常数，$ε$，限制在纳米狭缝孔中的水，导致我们重新考虑离子分配到纳米孔的物理基础。对于与大量介电常数$ε_b>ε$处于化学平衡的受限离子，由于这种介电失配，预期在纳米孔中离子排斥的起源处的三种物理机制被修改：水-孔隙界面介电排斥（具有膜介电常数，$ε_m<ε$），与孔中Debye-Hückel筛选参数的差异相关的溶剂化能，$κ$，在体相$κ_b$中，经典玻恩溶剂化自能与$ε^{-1}-ε_b^{-1}$成正比.我们的目标是澄清这三种机制之间的相互作用，并调查所发挥的作用玻恩贡献在离子液体-蒸汽（LV）相分离在受限的几何形状。我们首先解析地计算位于半径为$R$的纳米球形孔中心的半径为$R_i$的离子的平均力势（PMF）。通过计算受限离子溶液的变分巨势，推导出离子在孔中的分配系数。LV过渡的相图建立各种参数值，我们表明，这个相变的签名可以通过监测总渗透压检测。对于带电的纳米孔，这些排斥效应与静电吸引竞争，静电吸引迫使抗衡离子进入孔中以实施电中性。因此，这项研究将有助于破译玻恩自能和介电失配在实验和模拟离子通过纳米孔传输的各自作用。
2021-09-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Electroosmotic flow rectification in conical nanopores
最近的实验工作表明，通过锥形纳米孔的电渗流（EPOF）表现出整流在相反的意义上的离子电流整流的充分研究的效果。正偏置电压产生大的过电压和小的电流，而负偏置电压产生小的过电压和大的电流。在这里，我们使用有限元模拟系统地研究这种效果。我们发现，在孔隙内，电场和盐浓度呈负相关，这导致了电流和电流的大小之间的反向关系。当孔隙被驱动到以取决于电压的符号的不同盐浓度为特征的状态时，发生整流。造成这种行为的机制是浓差极化，这需要孔表现出选择性渗透和不对称的性质。
2015-06-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Unzipping Kinetics of Double-Stranded DNA in a Nanopore
我们研究了双链DNA单分子的解链动力学，通过将其两条链中的一条拉过狭窄的蛋白质孔。PCR分析第一次直接证明了DNA在这样的系统中解压缩。解压缩每个分子的时间是从DNA穿越的离子电流特征推断出来的。在各种实验条件下解链时间的分布符合一个简单的动力学模型。使用该模型，我们估计解压缩的焓垒和孔中核苷酸的有效电荷，这比以前假设的要小得多。
2003-05-02 cond-mat.soft q-bio
2D nanoporous membrane for cation removal from water: effects of ionic valence, membrane hydrophobicity and pore size
使用分子动力学模拟，我们表明，单层二硫化钼（MoS $_2$）和石墨烯可以有效地拒绝离子，并允许高的水渗透性。水和三种不同价态的阳离子（Na $^+$，Zn $^{2+}$和Fe $^{3+}$）的溶液中进行了研究，在两种类型的膜的存在下，结果表明，阳离子电荷的离子截留率的高度依赖性。氯化铁的缔合特性导致两种纳米孔的高离子排斥率，而一价氯化钠诱导较低的排斥率。特别地，MoS $_2$对于所有孔径和施加的压力显示出100%的Fe $^{3+}$排斥。另一方面，水的渗透不随阳离子的价态而变化，仅与纳米孔的几何和化学特性有关。这项研究有助于了解通过纳米多孔膜的流体传输，对于开发从水中去除污染物的新技术至关重要。
2018-02-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Analysis of ionic conductance of carbon nanotubes
我们使用空间电荷（SC）理论（也称为毛细孔模型）来描述带电碳纳米管（CNT）的离子电导，$G$。羟基离子的可逆吸附CNT孔壁的基础上，我们使用的表面离子化的Langmuir等温线，并作为孔径，盐浓度$c$，和pH值的函数进行计算。使用现实的值的表面位密度和pK，SC理论很好地描述了已发表的实验数据上的电导的CNT。在极低的盐浓度，当电势变得均匀的孔隙，表面电离是低的，我们推导出缩放$G\sim \sqrt{c}$，而对于现实的盐浓度，SC理论不会导致一个简单的幂律$G(c)$。
2016-10-05 cond-mat.soft physics.chem-ph
Ion and water transport in charge-modified graphene nanopores
多孔石墨烯具有较高的机械强度和原子层厚度，这使其成为材料分离和生物分子传感的一种有前途的材料。水溶液中电荷间的静电相互作用是一种强的长程相互作用，对纳米孔中流体的输运有很大的影响。在这里，进行分子动力学模拟，以研究离子和水通过直径为1.05 nm的单层石墨烯纳米孔与其边缘电荷改性的传输。从结果中发现，当纳米孔带电时，纳米孔对抗衡离子具有选择性。随着电荷量的增加，总离子电流呈现出一个增大-减小的曲线，而共离子电流则单调减小。当纳米孔带负电和正电时，共离子截留率分别达到75%和90%。Cl ~+和Na ~+作为抗衡离子时，Cl ~+电流随体系中电荷量的增加而增加并达到一个平台，Na ~+电流随体系中电荷量的增加而减小。此外，电荷修饰可以明显增强水通过纳米孔的传输。这主要是由于纳米孔的离子选择性。特别是，孔隙边缘的正电荷比负电荷更有利于水的传输。
2016-07-30 cond-mat.soft physics.chem-ph
Electrical Conductivity of Nanoscale Hydrophobic Porous Media: Surface Charge Density and Heterogeneous Pore Structure
导电性是疏水多孔介质（HPM）的固有性质，并且具有关键应用。本研究旨在为预测具有非均匀孔结构的纳米HPM的电导率提供一种解决方案。比较了分子动力学（MD）模拟与改进的Poisson-Boltzmann（MPB）模型对纳米孔中离子电荷密度分布的理解。有效介质近似（EMA）参与计算纳米HPM的有效电导和电导率。结果表明，表面电荷密度影响疏水纳米孔中的离子密度分布。随着孔径的增加，电导增加。随着电解质水溶液（AES）的摩尔浓度降低，电导降低。当AES的摩尔浓度很低时，会出现电导饱和现象。HPM的有效电导随着配位数的增加而增加。最后，基于计算出的有效电导和非均匀孔结构参数，计算了纳米级HPM的电导率。
2021-05-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Wetting of nanopores probed with pressure
纳米孔既是研究单分子生物物理和纳米级离子传输的工具，也是一种有前途的脱盐或渗透发电材料。了解离子通过纳米孔传输的物理基础，可以更好地设计多孔膜材料。材料表面可以呈现疏水性，这是一种可以使它们易于形成表面纳米气泡的性质。纳米气泡可以影响这种器件的电输运性质。我们展示了一种方法，它使用液压探测固态纳米孔的电输运性质。我们展示了如何使用压力来润湿孔隙，以及它如何允许在纳米尺度范围内控制气泡，通常仅使用电驱动力无法实现。二硫化钼，然后作为一个典型的例子，我们展示了润湿和气泡诱导的非线性和线性电导的制度，通常用于这些实验上的二维材料。我们表明，通过使用压力，可以识别和逃避润湿文物。
2020-09-11 cond-mat.soft
Detection of polystyrene sphere translocations using resizable elastomeric nanopores
可调整大小的弹性体纳米孔已被用于测量由直径为200 nm和800 nm的羧化聚苯乙烯球引起的离子电流脉冲。纳米孔代表了一种新技术，其能够通过弹性体膜的宏观致动来实现孔的纳米级膨胀。采用三种不同的孔，具有可变的施加应变、跨膜电位、颗粒浓度和球半径。描述电流脉冲幅度的理论已扩展到锥形孔几何形状。介绍了一种接近噪声阈值的数据解释的一致方法，并使用实验数据比较了几种有效的、非破坏性的孔隙尺寸计算方法。最有效的模型强调的绝对脉冲大小，这主要是由开口半径在最西端的部分大致圆锥形的孔，而不是沿整个孔长度的配置文件。实验中进行的制度，其中电渗和电泳运输是显着的。
2010-02-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.ins-det
Rectification properties of conically shaped nanopores: consequences of miniaturization
TU Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；University of Vienna（维也纳大学）；Materials Science, TU Darmstadt（达姆施塔特工业大学材料科学系）；Department of Physics and Astronomy, University of California, Irvine（加州大学欧文分校物理与天文系）；GSI Helmholtz Center（德国重离子研究中心）
通过数值模拟研究锥形纳米孔长度对离子电流整流特性的影响，发现缩短长度会降低整流能力，但可通过调控表面电荷和窄口形状增强短孔的整流性能。
2013-08-14 cond-mat.soft cs.NA math.NA
Hydrodynamic flow in the vicinity of a nanopore induced by an applied voltage
采用连续介质模拟研究了在外加电位降下固态膜中离子通过纳米孔的传输和流体流动。结果表明，膜表面存在浓差极化层。离子分布的不均匀性产生了驱动流体中的涡旋运动的电压力。由于膜表面电荷引起的不对称性，还存在通过纳米孔的净流体动力学流动。的定性行为是类似的，在以前的研究中观察到的分子动力学模拟。的电流-电压特性表现出一定的非线性特征，但并没有受到很大的影响，在研究的参数制度的流体动力学流动。在薄德拜层的限制下，系统的电阻可以用具有集总参数的等效电路来表征。涡量的产生可以从麦克斯韦应力的基本考虑定性地理解。然而，流动强度是所施加的场的强非线性函数。电泳和流体动力学效应的组合可以导致离子选择性的化合价，这可能有一些实际应用中的分离。
2013-05-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Structure and Electrical Properties of DNA Nanotubes Embedded in Lipid Bilayer Membranes
通过脂质双层膜工程化合成纳米孔以进入细胞内部是生物技术中长期存在的挑战。在这里，我们证明了基于瓦的6-螺旋DNA纳米管（DNT）嵌入POPC脂双层的稳定性和动力学使用0.2微秒长的平衡MD模拟轨迹的分析。我们观察到，靠近管腔的脂质分子的头部基团合作地向DNA的亲水性糖-磷酸骨架倾斜，并在膜中突出的DNT补丁周围形成环形结构。此外，我们探讨了离子浓度对脂质-DNT复合物的溶液结构和稳定性的影响。通过对恒电场MD模拟的跨膜离子电流的测量，得到了脂质膜中充水DNT腔的I-V特性。随着盐浓度的增加，多孔DNT管腔的跨膜离子电导的测量值从4.3 nS变化到20.6 nS。在孔的口处具有ssDNA和dsDNA突出端的DNT的模拟显示了门控效应，对于打开和关闭状态的纳米孔，跨膜离子电导率具有显著差异。
2017-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
The concept of entropic rectifier facing experiments
分子在受限介质中的输运受到熵垒的影响。因此，理论上，限制长度的不对称性可能导致分子棘轮与熵作为唯一的驱动力的偏置输运。我们解决这个问题的实验进行替代离子电流测量的电解质限制在中性锥形纳米孔。在阴离子和阳离子的大小相差很大的情况下，我们表明，整流的离子电流可以得到依赖于离子的大小和周期频率，一致的熵棘轮机制。
2016-08-03 cond-mat.soft
Coulomb Blockade in Angstrom-scale latent ion track channels
当通道按比例缩小到水合离子的尺寸时，发现了离子库仑阻塞。然而，自Feng等人以来，实验CB现象很少报道，在二硫化钼纳米孔中发现的。通过使用直径为0.6 nm的潜孔膜，我们发现通道在小电压下几乎不导电，这是由于表面结合的阳离子的阻挡，然而随着电压的升高，由于结合离子的释放，通道变成导电的，这与MoS2纳米孔中的机制不同。通过Kramers的逃逸框架，我们合理化了分析方程以拟合实验结果，揭示了最小通道中离子传输的新基本见解。
2022-11-17 cond-mat.soft
When Knots are Plectonemes
本研究发现纳米孔中dsDNA易位时被误认为结的特征实为螺旋绞旋，其形成由溶剂流诱导的DNA旋转和扭转传播主导，为准确分析聚合物运输提供了新视角。
2024-07-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
The effect of the charge pattern on the applicability of a nanopore as a sensor
我们研究了一种模型纳米孔传感器，该传感器能够检测以非常小的浓度存在于电解质溶液中的分析物离子。纳米孔选择性地结合分析物离子，背景电解质（KCl）的离子的局部浓度以及因此流过孔的离子电流与分析物离子一起改变。分析物浓度可由校准曲线确定。在我们以前的研究中（Mádai等人，J. Chem. Phys.，147（24）：244702，2017.），我们提出了一个对称模型（表面电荷沿整个孔是负的）。传感机制是K $^{+}$和阳性分析物离子之间的竞争，因此增加分析物浓度降低K $^{+}$电流。在这里，我们允许孔壁上的不对称电荷模式（沿着孔的正/负/中性），因此，获得额外的设备功能，整流，导致双响应设备。我们发现，双极纳米孔是一个有效的几何形状与Cl $^{-}$离子是主要的载流子。感测的机制是更多的正分析物离子吸引更多的Cl $^{-}$离子进入孔中，从而增加电流。此外，它们使孔不太不对称，从而减少整流。我们使用一种混合计算机模拟方法，其中广义的巨正则蒙特卡罗方法的非平衡态（局部平衡蒙特卡罗）耦合到能斯特-普朗克方程的通量计算。
2018-12-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.app-ph
The Dukhin number as a scaling parameter for selectivity in the infinitely long nanopore limit: extension to multivalent electrolytes
纳米器件行为的缩放意味着器件功能（在这项工作中的选择性）是缩放参数的唯一函数，该缩放参数是器件参数的适当组合。虽然nanopores促进运输的离子通过膜的有限长度，如果孔是长的孔半径相比，我们处理一个重要的限制情况下，无限长的纳米孔（纳米管）。虽然在我们以前的研究中（Sarkadi等人，J. Chem.Phys.154（2021）154704.）我们证明了Dukhin数是1：1电解质的纳米管极限中的一个合适的标度参数，在这项工作中，我们从第一性原理的基础上Poisson-Boltzmann（PB）理论得到的Dukhin数，并推广到含有多价离子的电解质以及。我们表明，巨正则蒙特卡罗模拟的带电硬球在隐式溶剂得到的结果是类似的PB理论与偏差的后果，离子相关性（包括有限大小的离子）超出平均场水平的PB理论。例如，当在2：2和3：1电解质中存在电荷反转时，发生这种偏差。
2022-03-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Angstrom-scale ionic streaming when electrical double-layer concept fails
本文利用潜径迹膜研究埃级通道中的流动电导，发现其随压力变化且存在阈值，提出反离子解离的Kramer逃逸模型和Damkohler数来解释该现象及受限增强的表面电势。
2024-12-31 cond-mat.soft
