Electrostatics of polymer translocation events in electrolyte solutions
我们开发了一个分析理论，占图像和表面电荷之间的相互作用的带电的介电膜和DNA分子易位通过膜。通过中性碳基膜的易位事件是由排斥DNA-图像-电荷相互作用与膜的反式和顺式侧上的DNA片段之间的吸引耦合之间的竞争驱动的。后者的效果是由介电膜的耦合的减少引起的。在强盐溶液中，排斥的图像电荷效应占主导地位的有吸引力的trans-cis耦合，DNA分子遇到的易位势垒约10 kBT。在稀电解质中，反式-顺式耦合接管图像-电荷力，并且膜变成亚稳态吸引点，其可以在长时间间隔内捕获易位聚合物。该机制可用于易位实验，以便通过调节溶液的盐浓度来控制DNA运动。
2016-03-19 cond-mat.soft
Water in a Polymeric Electrolyte Membrane: Sorption/Desorption and Freezing phenomena
全氟磺酸是一种全氟磺化聚合物，广泛应用于质子交换膜燃料电池。该聚合物采用了由疏水性主链和亲水性磺酸基团之间的微观分离产生的复杂结构组织。在水合时出现充满水的通道和空腔，其中释放酸性质子以形成水合氢离子在水中的溶液，其嵌入聚合物基质中。在273 K以下，发生了水的吸附/解吸现象，其原因至今仍是一个悬而未决的问题。进行中子衍射，我们监测的冰形成的数量在吸附/解吸过程中作为温度的函数下降到180 K。在冷却时，我们观察到冰在膜外形成，并以六边形Ih形式结晶。同时，膜收缩和膨胀，导致基质内水合氢离子浓度增加。可逆地，冰融化并且膜在加热时再水合。本文提出了一个冰点随水合氢离子浓度变化的溶液模型来计算结冰量随温度的变化。模型与实验数据之间的定量一致性解释了在水的吸附或解吸过程中观察到的平滑和可逆的行为，指出了现象的起源。所提出的图片调和禁闭和熵的影响。水填充的电解质纳米结构的其他例子，最终讨论，在澄清在低温下的水传输的条件的上下文中。
2013-12-17 cond-mat.soft
Electrostatic correlations on the ionic selectivity of cylindrical membrane nanopores
我们表征的作用，静电波动的圆柱形纳米孔限制电解质混合物的电荷选择性。为此，我们开发了一个扩展的单回路理论，可以解释由表面电荷，电解质的纳米限制，和与低介电常数膜相关的界面极化电荷引起的相关效应。我们通过与先前从文献中获得的蒙特卡罗模拟数据进行比较来验证理论的定量准确性，并详细审查了驱动纳米孔离子选择性的潜在力量。在生物学相关的情况下，电解质与二价阳离子，如CaCl 2在带负电荷的纳米孔，与致密的抗衡层在通道中的静电相关性的结果在孔共离子密度与表面电荷的增加。类似于电荷反转现象的这种特性对于介电不均匀的孔保持完整，这表明该效应在以低膜介电常数为特征的纳滤膜或DNA封闭的纳米孔中应该是可观察到的。我们的研究结果表明，一个定量准确的考虑相关效应是必要的，以确定在电解质与多价抗衡离子的存在下，纳米孔的离子选择性。
2014-01-25 cond-mat.soft
Schwinger-Dyson equations for composite electrolytes governed by mixed electrostatic couplings strengths
静电Schwinger-Dyson方程推导和求解的电解质混合物组成的单和多价离子局限于一个带负电荷的纳米缝。封闭这些方程是基于不对称处理的离子物种相对于其静电耦合强度;弱耦合的单价离子内的高斯近似处理，而高耦合强度的多价抗衡离子与强耦合的方法。由此产生的自洽形式主义明确包括多价抗衡离子与单价盐的相互作用。在高度带电的膜，其特征在于一个明显的多价反吸附，这些相互作用接管盐膜电荷耦合。因此，负膜电荷的增加将更多的盐阴离子带入孔隙中，并将盐阳离子从孔隙排除到储层中。相应的同电荷吸引和相反电荷排斥效应被放大的孔隙限制，但抑制盐添加到水库。该效应在高介电膜中特别显著，其中吸引极化力导致膜壁处的致密多价阳离子层。这些阳离子层充当有效的表面正电荷，即使在中性膜壁的情况下，也会导致完全一价阳离子排斥和强烈的阴离子过量。
2019-11-15 cond-mat.soft
Antifouling membranes for oily wastewater treatment: interplay between wetting and membrane fouling
含油废水是一种广泛的土壤和水体污染源，其无害化处理对保护我国的水生态系统具有重要意义。膜过滤是从含油水中去除油的非常理想的方法，因为它具有能量效率高、易于处理和维护成本低的优点。然而，在实际的废水处理中，过滤过程中的膜污染导致严重的通量下降，并阻碍膜的长期运行。膜污染包括可逆污染和不可逆污染。基于经典的膜污染模型和油滴在膜上的沉积、聚集、聚结和润湿等行为，探讨了膜污染的机理。膜污染由液滴-膜相互作用主导，其受膜的性质（例如，表面化学、结构和电荷）和废水（例如，组成和浓度）以及操作条件。综述了膜分离的几种典型方法，如表面分离、两性离子聚合物涂层、光催化分解和电增强分离，并讨论了它们在实际应用中的优缺点。
2018-10-12 cond-mat.soft
The model of stress distribution in polymer electrolyte membrane
建立了一个氢/空气燃料电池多孔水传输板（WTP）聚合物电解质膜（PEM）中机械应力的解析模型。该模型认为膜中的机械应力是恒定氧利用率下电池负载循环的结果。负载循环导致入口气体流速的循环，这导致膜水合/脱水靠近气体入口。膜的水合/脱水导致膜溶胀/收缩，这在受约束的膜中引起机械应力。机械应力导致贯穿平面裂纹的形成。因此，膜中的机械应力导致膜的机械故障，限制了燃料电池的寿命。该模型预测膜中的应力作为细胞几何形状、膜材料性质和操作条件的函数。将该模型应用于GORE-SELECT中的应力计算。
2014-01-17 cond-mat.soft physics.chem-ph
Chaotic behavior of ion exchange phenomena in polymer gel electrolytes through irradiated polymeric membrane
通过台式实验研究了离子导电电化学微系统的I-V特性的非线性。它的混沌动力学是第一次被报道，已经被电子电路捕获。制备了聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯（PVdF-HFP）凝胶电解质，该电解质由增塑剂（碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯）和盐组成，用于研究离子通过多孔聚对苯二甲酸乙二酯（PET）膜的交换。该体系的非线性是由于聚合物凝胶电解质（PGE）通过多孔膜进行离子交换。不同制度的尖峰和非尖峰混沌运动。突出了可能的应用。
2012-04-18 cond-mat.soft nlin.CD
A Stabilized Diffuse-Interface Electroporation Model with a Semi-Analytical Spectral Electrolyte Solver
Boston University（波士顿大学）；University at Buffalo–SUNY（纽约州立大学布法罗分校）
本文提出一种稳定扩散界面电穿孔模型，结合相场和电解质电势，采用半解析频谱求解器提高计算效率，并通过热噪声实现随机孔隙成核。
2026-02-08 cond-mat.soft
Mid infrared imaging of mass transport in polymer electrolyte membranes of an operating microfluidic water electrolyzer
本研究利用operando红外光谱成像研究PEM电解槽水传输，发现阳极电解液浓度越高电流密度波动越大且存在水扩散梯度，指出需优化水管理与电解槽设计以提升工业PEM电解的稳定性与效率。
2025-05-17 cond-mat.soft physics.chem-ph
Monte Carlo simulation of the electrical properties of electrolytes adsorbed in charged slit-systems
我们用巨正则蒙特卡罗模拟研究了原始模型电解质在层状狭缝系统中的吸附。狭缝系统包含一系列带电膜。离子被禁止从膜，而它们被允许被吸附到膜之间的狭缝中。我们专注于狭缝系统的电学性质。我们展示了浓度、电荷、电场和电势的分布。结果表明，狭缝系统与体相之间的电势差主要是由于狭缝系统边界处形成的双电层引起的，但外狭缝的极化也对电位差有贡献。我们证明，只有当我们在一个单一的模拟单元中模拟狭缝与体相一起时，才能研究将离子带入狭缝系统所需的电功。
2012-07-13 cond-mat.soft
Repulsion Between Inorganic Particles Inserted Within Surfactant Bilayers
我们研究了同步辐射小角x射线散射高度对齐的层状相的两性离子表面活性剂，掺杂单分散和球形疏水性无机粒子作为粒子浓度的函数。由双层平面中的颗粒形成的二维流体的结构因子的分析给出了它们的膜介导的相互作用的途径，该相互作用是排斥性的，接触值为约4k $_{\text{B}}$ T，范围为14 Ω。系统地应用这项技术，应导致更好地了解膜夹杂物之间的相互作用。
2015-04-05 cond-mat.soft
On the cause of Zeta potential of a charged vesicle. The extra- and intravesicular membrane charges contribute differently to the extra- and intravesicular potential
当囊泡膜的内表面和外表面上的电荷密度相似时，可以假设更靠近外/内表面的点处的电势更受位于囊泡膜的外/内表面处的电荷的影响。然而，由于囊泡的曲率和电解质离子的屏蔽效应，情况更加复杂。当囊泡膜的内表面和外表面处的电荷密度相同时，则在距囊泡中心的任何有限距离Z处，位于外膜表面处的电荷对囊泡电势Vex的贡献不同于位于内膜表面处的电荷对囊泡电势Vin的贡献。在低电解质离子浓度（从C=0到0.00001 [Mol]）下，Vex/Vin>1，并且随着从囊泡中心到囊泡膜的外表面的距离的增加而增加。随着距离的进一步增加，Vex/Vin在C=0 [Mol]处保持恒定，而在C>0 [Mol]处开始减小。然而，在高电解质离子浓度（C>0.01 [Mol]）下，随着距囊泡中心的距离增加，Vex/Vin在囊泡膜的内表面处达到其最大值。随着距离的进一步增加，靠近囊泡的外表面，Vex/Vin变得小于1（即，膜的内表面处的电荷比外表面处的电荷对电势的贡献更大）。进一步增加距离，Vex/Vin达到其最小值，然后增加到1（即，膜的内表面处的电荷与膜的外表面处的电荷一样对电势有贡献）。随着电解质离子浓度的增加，Vex/Vin的最小值变得更深（接近零），并且其位置越来越接近囊泡的外表面。
2021-02-22 cond-mat.soft
Nanoconfined, dynamic electrolyte gating and memory effects in multilayered graphene-based membranes
在各个片之间掺入电解质的多层石墨烯基纳米多孔膜是一种独特的纳米异质结构系统，其中石墨烯中的纳米限制电子和片之间限制的离子在整个膜中紧密耦合。与电解质门控不太可能出现在多层石墨烯堆叠中的一般概念相反，在这项工作中证明了单层石墨烯中的电解质门控效应可以转移到其相应的多层多孔膜。通过限制在纳米孔中的电解质在每个单独的石墨烯片上呈现的这种门控效应提供了用于探测纳米限制的双电层的复杂动力学的实时电方法。这使得能够观察超级电容器中的离子记忆效应，并对超级电容器的充电动力学产生新的见解。这些发现可能会刺激新型纳米离子器件的设计。
2019-11-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Scaling laws for concentration-gradient-driven electrolyte transport through a 2D membrane
本文推导稀电解质通过无限薄二维膜圆形孔口的通用输运方程与双电层标度律，并经有限元模拟验证，揭示薄膜特有的异常浓度梯度驱动流动。
2024-12-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Electroneutrality breakdown in nanopore arrays
在一维限制中电荷的静电屏蔽导致纳米孔内电中性的长程击穿。通过一系列的连续模拟，我们揭示了一维受限电解质的电中性击穿原理。我们展示了如何在膜中相互作用的孔可以抵消电中性击穿的现象，最终返回到电中性。重点放在应用简化公式，减少多维偏微分方程成一个单一的常微分方程的静电势。电解质和膜之间的介电失配，孔的纵横比，和限制维度独立研究，概述了选择性离子传输和分离的纳米多孔膜中的电中性击穿的相关性。
2021-10-29 cond-mat.soft
A simple model for semipermeable membrane: Donnan equilibrium
本文研究了一个被半透膜限制的电解质溶液中大离子的模型。考虑薄膜有限厚度，薄膜两面均匀带电。该模型明确地包括静电和尺寸颗粒的相关性。我们的研究主要集中在大离子在膜表面的吸附和渗透压。渗透压的理论预测与实验结果吻合较好。
2003-11-03 cond-mat.soft
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
Structural Reorganizations and Nanodomain Emergence in Lipid Membrane Driven by Ionic Liquids
本研究探讨咪唑类离子液体对DPPC模型细胞膜结构的影响，发现长链离子液体DMIM[Br]能在膜内形成纳米畴并增加渗透性，其与细胞毒性直接相关，为设计更安全的离子液体提供了依据。
2024-07-26 cond-mat.soft
Variational approach for electrolyte solutions: from dielectric interfaces to charged nanopores
发展了一种变分理论来研究电解质溶液，由相互作用的点状离子在溶剂中，在存在介电不连续性和电荷的边界。三个重要的和非线性的静电效应引起的这些接口考虑：表面电荷引起的静电场，溶剂化能量由于离子云，和图像电荷排斥。因此，我们的变分方程超越了平均场论.盐浓度，离子价态，介电跳跃，和表面电荷的影响进行了研究，在两种几何形状。i）具有不对称电解质的单一中性空气-水界面。由于共离子和反离子的不同镜像电荷排斥，建立了电荷分离和静电场。电荷分布和表面张力计算和比较以前的近似计算。对于靠近带电表面的对称电解质溶液，其特征在于两个区域。在第一个，与耦合参数的对数成比例的大小，强的图像力施加总离子排斥，而在第二区的平均场方法适用。ii）限制在两个介电界面之间的对称电解质作为纳米孔离子排斥的简单模型。研究了膜电荷对反离子的排斥和吸引之间的竞争。对于小的表面电荷，反离子分配系数随着孔径的增加而减小，直到临界孔径，与中性膜相反。对于较大的孔径，整个系统表现得像一个中性孔。变分法的预测也进行了比较MC模拟和观察到一个很好的协议。
2010-03-31 cond-mat.soft
Simultaneous thermoosmotic and thermoelectric responses in nanoconfined electrolyte solutions: Effects of nanopore structures and membrane properties
本研究通过半解析模型和数值模拟，探讨了纳米流体膜孔结构和性质对热电响应（TER）和热渗透响应（TOR）的影响，发现降低热导率比可增强TER和TOR，且最大功率密度比典型热超级电容器高一个数量级。
2023-09-13 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Kinematic and volumetric analysis of coupled transmembrane fluxes of binary electrolyte solution components
本文论述了二元电解质溶液组分的单个跨膜通量与描述传递过程速率的实验测量量之间的关系，即电流、跨膜体积流量和邻近膜的溶液中的浓度变化速率。此外，我们收集和严格定义的动力学系数描述膜的选择性和电动性能。这些系数之间的一组有用的关系推导。所提出的分析的一个重要特点是，它不使用不可逆热力学方法，分析没有热力学力，产生的通量正在考虑。相反，所有的ε都是基于守恒和线性的原因推导出来的。术语“通量的Kinetics”是根据与力学的类比而提出的，其中Kinetics通过不考虑机械力来处理运动的动量。分析的唯一热力学步骤涉及电解质和离子的偏摩尔体积的讨论，这些偏摩尔体积是相邻溶液的平衡热力学参数。这些参数对于溶液组分的跨膜通量和跨膜体积流量之间的相互关系是重要的。本文包含简短的文献综述有关的偏摩尔体积的电解质和离子：测量方法，所获得的结果和它们的理论解释。从评述中得出的结论是，经典理论应加以修正，使其适用于足够浓度的溶液，1M或更高。在运动学分析中考虑了建议的校正。
2023-01-20 cond-mat.soft
Electric Fields Near Undulating Dielectric Membranes
本文提出用格林函数周期求和的解析方法计算起伏介电膜附近静电势，揭示表面起伏通过波谷离子排斥增强界面电荷分布不对称性，并表明粗糙表面可在带电分子或混合价离子电解质中诱导电荷图案。
2024-04-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Multiscale Decoupling in Peptide-Membrane Interactions: From Elastic Softening to Domain-Mediated Stiffening
Bhabha Atomic Research Centre（巴巴原子研究中心）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国家研究所）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Shiv Nadar Institution of Eminence（希夫·纳达尔卓越机构）
本研究通过多种中子散射技术发现，抗菌肽aurein对膜力学性质的影响取决于膜组成：在DMPC中引起渐进软化，在含PG的膜中先软化后硬化，并揭示分子扩散与集体刚度在多尺度上的解耦。
2026-10-08 cond-mat.soft
Membrane-mediated repulsion between gramicidin pores
我们研究了作为肽/脂质比的函数的抗微生物肽短杆菌肽形成的含有孔的两性离子脂质1，2-二月桂酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱的高度对齐的多层膜的X射线散射信号。我们能够获得的孔隙流体的结构因子的信息，然后产生的双层的平面中的孔隙之间的相互作用潜力。除了一个硬核的半径接近孔的几何半径，我们发现了一个排斥指数脂质介导的相互作用，衰减长度为2.5 μ m，振幅随孔浓度的增加而减小，与疏水匹配假设一致。在稀体系中，这种相互作用的接触值约为30 k $_B$ T。对于插入由非离子表面活性剂五乙二醇单十二烷基醚形成的双层内的短杆菌肽孔，获得了类似的结果。
2015-04-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Like-Charge Attraction between Metal Nanoparticles in a 1:1 Electrolyte Solution
我们计算了在稀的1：1电解质溶液中两个电荷为Q1和Q2的球形金属纳米颗粒之间的力。通过数值求解非线性Poisson-Boltzmann方程，我们发现具有相同电荷符号的金属纳米颗粒可以相互吸引。这是从根本上不同的是什么被发现的电荷相同，非极化，胶体粒子，两个身体的相互作用势总是排斥内稀释1：1电解质。此外，球形金属纳米颗粒之间存在类似电荷的吸引力甚至更令人惊讶，因为这种吸引力在平行金属板之间是不可能的，这表明曲率的根本重要性。为了克服完全非线性泊松-玻尔兹曼方程的数值解收敛缓慢，我们开发了一种改进的Derjaguin近似，使我们能够准确和快速地计算两个金属纳米颗粒之间，或金属纳米颗粒和磷脂膜之间的相互作用势。
2019-07-01 cond-mat.soft
Capacitive response of biological membranes
本文提出最小模型分析阻塞电极阶跃电压下生物膜的电容响应，通过微扰分析揭示了由膜介电特性主导的快速电容弛豫与体相盐扩散驱动的长时非线性弛豫机制。
2025-03-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Molecular Dynamics Simulations of Membrane Selectivity of Star Peptides Across Different Bacterial and Mammalian Bilipids
本文通过全原子分子动力学模拟揭示了Alt-SNAPP星形抗菌肽聚合物通过静电作用选择性结合细菌膜而排斥哺乳动物膜的机制，为设计低毒性抗菌聚合物提供了分子依据。
2025-10-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
Proton channels
Nafion是一种聚合物电解质膜，用于某些燃料电池，其结构在近几十年来一直备受争议。现在，一个新提出的模型揭示了纳米级的排列，可以解释这种材料优异的传输特性。
2008-07-22 cond-mat.soft
Impact of the inner solute structure on the electrostatic mean-field and strong-coupling regimes of macromolecular interactions
本研究通过接触值恒等式揭示溶质内部结构在静电平均场和强耦合机制中增强或削弱膜间排斥力，极化力放大溶质特异性，影响胶体热力学稳定性。
2023-04-21 cond-mat.soft
Electrostatic interaction of neutral semipermeable membranes
我们考虑由半渗透膜包围并由无盐液体的薄膜分隔的盐的本体溶液之间的渗透平衡。虽然膜是中性的，但膜分子的抗衡离子渗透到间隙中并导致空间电荷分离。这引起了距离依赖性膜电位，其转化为排斥性静电分离压力。从非线性Poisson-Boltzmann方程的解，我们得到的电位和离子的分布。然后，我们推导出一个明确的公式施加在膜上的压力，并表明它偏离经典的范特霍夫的渗透压表达式。这种差异被解释在排斥性的静电分离的压力源自间隙内的对流云的重叠。我们还开发了一个简化的理论基础上的线性化泊松-玻尔兹曼方法。提供了与电解质的原始模型的模拟的比较，并且证实了理论预测的有效性。除了中性表面可以排斥的基本结果之外，这种机制不仅有助于控制活细胞、细菌和囊泡的粘附和长程相互作用，而且还使我们能够论证静电相互作用在决定由半透膜限制的系统的行为和功能方面应该起着巨大的作用。
2012-01-18 cond-mat.soft
Like-charge polymer-membrane complexation mediated by multivalent cations: one-loop-dressed strong coupling theory
我们探测静电机制驱动的聚电解质吸附到带相同电荷的膜后，加入三价和四价的抗衡离子的洗澡单价盐溶液。我们发展了一个单圈强耦合理论，将一价盐在静电单圈水平和多价抗衡离子在一个强耦合的方法。结果表明，介导同电荷吸附的多价反离子的粘附力来自它们在带电膜上的强烈凝聚。由此产生的界面抗衡过剩局部地最大化电解质的屏蔽能力，并最小化静电聚合物巨势。这转化为吸引力，将聚合物拉向类似电荷的膜。我们表明，高的反价，使这种吸附过渡，即使在弱电荷的膜。此外，强带电的膜引起盐诱导的相关性，并加强界面多价反离子缩合，加强聚合物与带相同电荷的膜的络合作用，以及触发分子的取向转变之前，其吸附。最后，我们的理论提供了两个额外的关键功能，如以前的吸附实验所证明的：第一，聚合物吸附的临界counterweight浓度随counterweight价的上升而下降，第二，单价盐的加入增强了膜电荷的筛选，抑制了盐的相关性。这削弱了界面多价反离子的凝聚，并导致聚合物从基底上脱附。
2019-05-10 cond-mat.soft
Dielectric manipulation of polymer translocation dynamics in engineered membrane nanopores
通过膜工程技术如碳纳米管（CNT）涂层改变介电膜的性质为用于生物传感目的的新型分子传输策略开辟了道路。在这篇文章中，我们预测的大分子运输机制，使介电操纵的聚合物易位动力学在介电膜孔限制混合电解质。在巨介电常数制度的这些工程膜受吸引力的极化力，多价离子吸附的膜纳米孔触发一价离子分离，并设置一个电渗透逆流。由该流动施加的拖曳力足够强以抑制和反转阴离子聚合物的电泳速度，并且还产生中性聚合物的迁移率，其速度和方向可以仅通过所添加的多价离子的电荷和浓度来调节。这些特征将介电产生的传输机制识别为驱动不能由外部电压控制的总体中性或弱电荷分析物的有效手段。我们还发现，在阴离子聚合物易位，多价阳离子加入到一价盐溶液放大了电流信号的几个因素。信号放大是由静电多体相互作用用具有更高电迁移率的多价阳离子取代单价聚合物反离子引起的。这种电动电荷鉴别的强度指出了多价离子作为电流放大器的潜力，其能够在基于纳米孔的生物传感技术中提供提高的分辨率。
2021-12-15 cond-mat.soft
Tuning energy dissipation via topologically electro-convoluted lipid-membrane boundary layers
本研究通过分子动力学模拟揭示了外加电场下PC脂质双分子层摩擦增强的分子机制，发现电穿孔引起的膜波动脱水及脂质桥拓扑效应共同增加了滑动耗散，定量解释了实验现象。
2024-09-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Electrostatic Interaction of Heterogeneously Charged Surfaces with Semipermeable Membranes
本文研究了带电壁面与中性半透膜的静电相互作用。壁由周期性条纹组成，其中电荷密度在一个方向上变化。该膜与电解质溶液的大容量贮液器接触，并通过无盐液体的薄膜与壁分离。一种类型的离子（小抗衡离子）渗透到间隙中，并产生距离依赖性膜电位，该膜电位由于间隙中抗衡离子云的重叠而转化为排斥性静电分离压力。为了量化它，我们使用两种互补的方法。首先，我们提出了一个平均场论的基础上线性化的泊松-玻尔兹曼方程和傅立叶分析。这些计算使我们能够估计在诱导的异质膜电位上的壁处的异质电荷模式的效果，以及作为间隙的函数的分离压力的值。其次，我们进行朗之万动力学模拟相同的系统与明确的离子。两种方法的结果在低表面电荷和小带隙时吻合得很好，但在高电荷时由于非线性而不同。这些结果表明，壁电荷的异质性可以导致静电排斥的巨大降低，这可以显着促进复杂的合成和生物系统中的自组装。
2013-07-17 cond-mat.soft
Diffusioosmosis of electrolyte solutions in uniformly charged channels
Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院弗鲁姆金物理化学与电化学研究所）
本文研究了均匀带电通道中电解质溶液的扩散渗透现象，推导了流体流量方程并解析了离子通量和电势分布，揭示了表面电荷和浓度差对流体流动方向的影响。
2025-11-01 cond-mat.soft
Nonlinear Dynamics of Ion Concentration Polarization in Porous Media: The Leaky Membrane Model
高电荷膜的电导率几乎是恒定的，这是由于反离子屏蔽孔表面。弱电荷多孔介质，或“漏膜”，也包含显着浓度的共离子，其在高电流下的耗尽导致离子浓度极化和电导率冲击波。为了描述这些非线性现象的电渗流的情况下，一个简单的漏膜模型制定，宏观电中性和能斯特-普朗克离子通量的基础上。该模型是解决的情况下，无支持的二元电解质：稳定的传导从水库的阳离子选择性表面，电流阶跃的瞬态响应，稳定的传导到一个流通的多孔电极，和稳定的传导在交叉流的阳离子选择性表面之间。最后一个问题是由泄漏膜中的分离引起的，例如冲击电渗析。文章一开始就向尼尔·阿蒙森致敬，他在色谱中的冲击波方面的开创性工作涉及类似的数学。
2013-04-24 cond-mat.soft physics.chem-ph
Electrostatic Interactions and Electro-osmotic Properties of Semipermeable Surfaces
我们考虑两个带电荷的半透膜，其中绑定散装电解质溶液和分离的薄膜的无盐液体。小的反离子渗透到间隙中，这导致系统中的空间电荷分离。为了量化这个问题，我们定义了一个有效的表面电荷密度的假想的不可渗透的表面，它模仿了一个实际的半透膜，大大简化了分析。有效电荷取决于分离，通常与真实电荷不同，甚至可以是相反的符号。从非线性Poisson-Boltzmann方程的精确解和渐近解出发，我们得到了体系中的势分布和反离子的分布。然后，我们推导出明确的公式，在间隙中的分离压力和电渗速度，并表明，两者都是由有效的表面电荷。
2016-07-13 cond-mat.soft
A Mechatronics view at nerve conduction
刺激正在进行的讨论的相关性的机械运动的神经信号的传播，毛细血管波的水基电解质在弹性管状系统被认为是一个重要的成分。它们的传播速度，控制的弹性和几何形状的神经元膜以及密度的限制电解质，显示出非常好地匹配观察到的神经传导速度。由于毛细波包几乎不受阻尼并表现出非线性行为，它们可以传播孤子激发。在邻近弹性神经元膜的约1 nm薄层中，高达约1000万V/m的高电场对水偶极子的定向引起径向力，该径向力调节神经细胞的直径，同时引起细胞膜两端的电压偏置的变化，例如，例如，在一个实施例中，通过局部注入离子。像一个电驱动的蠕动泵一样，细胞体因此可以向轴突发射毛细波，轴突也可以传输由变化的偏压调制的中性偶极电流脉冲。在轴突的突触末端，这些偶极电流脉冲可以引起电压变化并启动化学信号。与传统的Hodgkin-Huxley神经传导模型相比，所提出的机制避免了电荷电流，因此具有低耗散。具体功能，可以进一步影响和验证提出的替代机制的神经传导进行了讨论。
2019-09-26 cond-mat.soft physics.bio-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
A simple device for microinjections, manipulations and measurements using an electromorphological chip under microinterferometric control of the interface and membrane processes at the thickness range of 5-1000 nm at different angles
使用填充有电解质的玻璃微电极进行的显微操作、灌注和测量是在单细胞和膜表面水平进行实验形态学和膜电生理学研究的常规技术。玻璃微电极端部的典型（有效）直径为500至小于100 nm，这阻止了根据光学分辨率标准使用标准光学显微镜观察它，因为小于500 nm的直径在干涉区内是不可区分的。提供拉动和撕裂的拉动器（microforge）的微处理器编程允许在某些方案中获得微量移液管尖端的经调节的直径和形状，尽管由于上述限制，该结果不完全受控。在这方面，有必要在准备和操作阶段（细胞内或细胞外插入）设计用于微量移液管尖端的控制装置。该方法还应根据电极类型和状态实时提供微电极尖端与细胞相互作用时发生的过程的可视化，这允许在用电解质填充微电极的不同方式之后使由微量移液管尖端的不受控制的操作引起的系统误差频率引起的伪影水平化。我们提出了一种安装方案，解决了上述问题，通过引入一个干涉仪装置的显微控制的微电极和显微操作器或微灌注，第一次为一个给定类型的光学仪器相结合的干涉光学方案。
2018-07-23 cond-mat.soft q-bio.CB q-bio.NC
Electrostatics-driven shape transitions in soft shells
以可控的方式操纵纳米级物体的形状是设计材料的核心，这些材料可以作为自组装的构建块或作为靶向药物递送载体。通过控制外部参数来诱导形状变形也是仿生膜设计的一种重要方法。在本文中，我们证明了静电学可以作为一种工具，通过调整环境条件，如介质中的电解质浓度来操纵柔软的封闭膜的形状。使用基于分子动力学的模拟退火过程，我们研究了不与环境交换材料的带电弹性壳，例如在乳液或合成纳米容器中形成的弹性膜。我们发现，通过降低盐浓度或增加壳的表面上的总电荷，球对称性被打破，导致形成椭球，盘，碗。形状变化伴随着静电能的显著降低和壳的表面积的上升。为了证实我们的模拟结果，我们分析表明，一个均匀带电的光盘具有较低的库仑能量比相同体积的球体。此外，我们测试我们的结果的鲁棒性，包括电荷重整化的形状转变的分析中的影响，并发现后者是可行的壳体积分数的范围很广。
2014-09-12 cond-mat.soft
Analysis of electrolyte transport through charged nanopores
我们重新审视了经典的问题，电解质溶液的流动通过带电的毛细管纳米孔或纳米管所描述的毛细管孔模型（也称为“空间电荷”理论）。该理论假设非常长且薄的孔隙，并使用一维通量-力形式主义，其将通量（电流、盐通量、流体速度）和驱动力（电势差、盐浓度、压力）联系起来。我们分析的一般情况下，重叠的双电层的孔隙和非零轴向盐浓度梯度。3 $\times$ 3矩阵与这些数量表现出昂萨格对称性，我们报告了一个显着的新的简化对角元素有关的轴向盐通量的化学势的梯度。我们证明了昂萨格对称性在变量变化下保持不变，我们通过变换到Gross和Osterle（1968）给出的不同的通量-力矩阵来说明这一点。毛细管孔模型非常适合描述用于电动能量转换和水脱盐的带电膜或纳米流体装置的非线性响应，只要横向离子分布保持在局部准平衡。作为一个例子，我们评估电力生产从盐浓度差通过反向电渗析，使用效率与功率图。我们表明，由于毛细孔模型允许在盐浓度的轴向梯度，部分回路电流，盐通量或流体流动可以在孔隙中发展。使用简化模型预测宏观输运性质，其中假定电势和浓度随径向坐标不变（“均匀电势”或“细毛细孔”模型），接近完整模型的结果。
2019-08-15 cond-mat.soft physics.chem-ph
Molecular Dynamics Simulation Study of Interaction between Model Rough Hydrophobic Surfaces
我们研究了分子粗糙和柔性模型表面之间的疏水相互作用的一些方面。我们在这项工作中使用的模型是基于我们以前使用的模型（Eun，C.; Berkowitz，M. L. J. Phys. Chem. B 2009，113，13222-13228），当时我们研究了脂质膜的模型贴片之间的相互作用。我们最初的模型由两个带有极性头基的石墨烯板组成;这些板浸入水浴中。这种板之间的相互作用可以被认为是亲水相互作用的一个例子。在目前的工作中，我们修改了我们以前的模型，从两性离子头基的电荷。由于该过程，板的特性发生变化;它变得疏水。通过分离板之间的总相互作用（或潜在的平均力，PMF）的直接和水介导的相互作用，我们观察到，后者的变化从排斥到吸引，清楚地强调了水作为介质的重要作用。我们还研究了头基的粗糙度和灵活性对板间相互作用的影响，并观察到粗糙度增强了疏水相互作用的性质。在电荷去除板之间的有限空间中存在去湿转变证实了板之间的相互作用是强疏水的。此外，我们注意到，有一个浅的局部极小值的情况下，电荷删除板的PMF。我们发现，这个最小值与柔性头基经历的构型变化有关，因为两个板被带到一起。
2011-06-01 cond-mat.soft
Thickness effects in the electromechanical stability of charged biological membranes
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
研究电场如何破坏生物膜的稳定性，提出考虑有限厚度、表面电荷和本体电液动力学的统一理论，揭示厚度效应在表面张力和弯曲刚度中的重要作用。
2026-03-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Ion Current Rectification and Long-Range Interference in Conical Silicon Micropores
呈现离子电流整流（ICR）或离子二极管的荧光器件对于包括脱盐、能量收集和感测等的应用具有广泛的兴趣。对于这样的应用，需要大的电导，这可以通过同时使用薄膜和宽孔来实现。在本文中，我们证明ICR微米大小的锥形通道中的薄硅膜的孔径可比的膜厚度，但都远远大于电解质屏蔽长度。我们表明，对于这些孔的入口电阻不仅是关键欧姆电导约0 V，但也了解ICR，这两个我们测量实验和捕获在一个单一的分析理论框架。在这个理论中唯一合适的参数是膜表面电位，我们发现它是电压依赖性的，其值与文献相比过大。从这一点，我们推断，孔外的表面电荷强烈有助于所观察到的欧姆电导和整流的不同程度。我们实验验证了这一假设，在一个小阵列的孔，并发现，ICR消失，由于通过膜表面介导的孔-孔相互作用，而欧姆电导约0 V保持不受影响。我们发现，ICR的孔-孔相互作用是由浓度的长程衰减来设定的，这解释了令人惊讶的发现，即使是具有大至7 $μ$ m的孔-孔间距的稀疏阵列，ICR也会消失。
2022-10-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Multivalent cation induced attraction of anionic polymers by like-charged pores
基于纳米孔的聚合物传感器件的效率取决于带负电荷的孔对阴离子聚电解质的快速捕获。这需要消除与排斥性聚合物-孔相互作用相关的静电势垒。我们开发了一个相关校正的理论表明，聚合物所经历的障碍，可以有效地克服通过添加到电解质溶液中的多价阳离子。阳离子吸附到孔中增强了孔介质相对于本体储层的筛选能力，这转化为对聚合物的吸引力。超过一个临界的多价阳离子浓度，这种相关性引起的吸引力克服了静电势垒，并触发了吸附的聚合物的电荷相同的孔。结果表明，一价盐抑制了同电荷聚合物-孔吸引，但膜电荷强度和孔限制增强了同电荷聚合物-孔吸引。我们的预测可以提供增强的控制易位实验中的聚合物运动。
2017-07-03 cond-mat.soft
Donnan equilibrium and the osmotic pressure of charged colloidal lattices
我们考虑一个系统组成的单分散的电荷稳定的胶体悬浮液中存在的单价盐，从纯电解质分离的半透膜，它允许交叉的溶剂，抗衡离子，和盐颗粒，但防止通过的聚离子。胶体悬浮液，这是在一个结晶相，被认为是使用一个球形Wigner-Seitz细胞。当达到道南平衡后，膜两侧将存在压力差。利用泛函密度理论，得到了渗透压与外加盐浓度、胶体体积分数、胶体粒子大小和电荷的关系式。的结果进行了比较与实验测量有序的聚苯乙烯晶格的两种不同的颗粒尺寸在一个范围内的离子强度和胶体体积分数。
1998-02-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nanofluidic charge transport under strong electrostatic coupling conditions
多体效应的全面描述纳米限制电解质的概念与优化性能的纳米流体设备是一个必不可少的步骤。通过将自洽的多价电荷的泊松-玻尔兹曼方程打扮的背景单价盐，我们调查的影响，强耦合静电的纳米流体的电解质混合物的运输。我们发现，实验观察到的负流电流在阴离子纳米通道起源于集体效应的Cl吸引力的界面吸附的多价阳离子，和无滑移层减少这些阳离子的流体动力学贡献的净电流。从这个集体机制出现的类似的电荷电流条件被证明是无滑移区内的平均电位的反转。应用的形式主义，位于巨介电常数制度的表面涂层膜纳米缝，我们揭示了一种新的类型的流动电流激活的吸引力极化力。在这些力的作用下，将多价离子添加到KCl溶液中会产生电荷分离，并在中性缝隙壁之间产生反离子电流。仅通过所添加的多价离子的价态和量的电流特性的可调节性将潜在的过程识别为用于纳米流体离子分离目的的有前途的机制。
2020-10-22 cond-mat.soft physics.chem-ph
CO2-induced Drastic Decharging of Dielectric Surfaces in Aqueous Suspensions
研究空气中CO2对水相悬浮液中聚合物胶乳颗粒表面电荷的剧烈放电影响，结合电导实验与PBC模型计算，揭示了CO2通过提高表面基团有效pKa抑制解离的机制。
2024-11-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
