Конкуренция концентрационных, тепловых и электрокинетических эффектов при возникновении неустойчивости электролита около идеальных ионоселективных мембран

Автор: Наталья Юрьевна Ганченко

Соавторы: Н.Ю. Ганченко, Д.А. Оксузьян, М.Ю. Репина

Организация: Кубанский государственный университет

В последние десятилетия с развитием микро- и нанотехнологий ионоселективные поверхности нашли широкое применение в микроустройствах (например, лабораториях на чипе), что потребовало изучения их свойств в микро- и наномасштабах. Оказалось, что в электролите около таких поверхностей под действием внешнего электрического поля может скапливаться большой заряд, причем толщина заряженного слоя намного превосходит дебаевскую длину. Этот слой назвали зоной пространственного заряда. Пространственный заряд может быть неустойчивым, и при его возмущении развивается тангенциальное электрическое поле, которое приводит к электроконвективному движению [1]. Несмотря на множество практических приложений, наблюдается недостаток теоретических исследований в данной области. В частности, установки наподобие лабораторий на чипе часто не получают широкого распространения из-за невозможности добиться желаемых результатов в рамках изученных явлений. В свою очередь, большинство теоретических работ посвящено исследованию «чистой» электроконвекции, в то время как немногие, включающие в рассмотрение дополнительные эффекты (такие как Джоулев нагрев электролита [2]), показывают, что они могут приводить к качественно новым результатам. 

Особенность данной работы заключается в том, что в модель включены дополнительные механизмы переноса электролита: помимо кулоновской силы, приводящей к электрокинетическим эффектам, в систему входит два механизма, связанных с подъемной силой. Первый из них – джоулев нагрев электролита, который приводит к возникновению термоэлектрокинетической неустойчивости [3], второй – это концентрационная конвекция, когда из-за неравномерного распределения соли меняется плотность электролита, и на его поведение начинает влиять сила тяжести [4].  Присутствие трех механизмов неустойчивости вызывает конкуренцию между ними. В работе получены критические значения параметров и составлена карта режимов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ 18-38-00611-мол_а