周期性孔隙结构中生物分子/布朗粒子的输运机制及数值仿真研究

Transport of biomolecules, ions and other Brownian particles in porous media or structures is of essential importance in the fields of physiochemistry, biomedicine and water treatment industry etc. This project will study the nanofilter based biomolecular separation system, one of the most important application of transport phenomena in porous media. By developing novel theoretical and numerical methods, critical physical insights will be studied and guidance in design of periodic engineered structures will be provided. As the most important strategy, complex biomolecules are converted into simple Brownian particles through introduction of configurational entropy and deformation energy etc. Subsequently, phenomenological transport parameters, such as the effective electrophoretic mobility and the effective diffusivity will be calculated using latest macrotransport theory, which provides separation outcome at the highest accuracy with minimum computational requirements. As validation of the proposed model and the numerical methods, simulation results will be compared with experimental data and those obtained by other mesoscopic simulation techniques such as Brownian dynamics and Monte Carle simulations, etc. The successful execution of this project will provide solid theoretical basis and handy numerical methods for high-efficiency, continuous-mode particle separation, which will also promote numerous applications in field of biomedicine, water treatment and environmental engineering etc.

多孔介质或孔隙材料中分子、离子及微悬浮颗粒迁移特性的研究在生物医学、水处理等无数领域具有非常重要的意义。本课题以微纳阵列结构生物分离系统为研究对象，采用先进的宏观理论方法研究生物分子/布朗粒子在受限空间中运动的机制，为设计和优化可实现分子及粒子连续分离的高效微纳流控芯片提供可靠的理论指导及实用的数值方法。本项目通过引入构型熵、变性能等参数，建立生物分子在纳米级受限环境下的等效布朗粒子模型，开发计算粒子在二维周期性微纳阵列结构中等效迁移率和扩散率等宏观输运参数的计算方法，预测分离结果，并通过比对实验数据、与布朗动力学方法、耗散粒子动力学、Monte Carlo方法等仿真结果的比较等方式进行全面的有效性验证。本课题的成功将为生物分子及带电布朗粒子分离和相关微纳芯片技术提升提供重要的理论基础和实用计算方法，直接推动生物医药、水处理、环境工程等多个领域技术提升与转型，具有非常高的技术经济价值。

随着微纳制造技术的进步和各种微流控芯片技术的迅猛发展， 通过微纳尺度通道的设计实现生物分子、离子、以及带电布朗粒子的输运操控给生物工程及化工领域带来了革命性的变化， 许多传统上通过大规模实验室完成的分析任务，在方寸空间的芯片上就可以完成。然而，该类系统涉及从纳米到宏观的跨尺度效应， 同时耦合流场、电场、以及带电粒子的输运等诸多物理化学过程，给该类系统的实验观测及仿真分析都带来了很大的挑战。总体来讲 ，该类系统在实验上属于探索阶段，在仿真研究上都还属于起步阶段，理论模型和物理机制研究更是非常少见。本项目主要在以下几个方面开展了探索性研究：（1）微纳阵列通道中生物分子等效淌度的宏观输运理论分析；（2）用于分析周期性微纳结构中布朗粒子对流扩散运动的随机行走算法; (3)周期性孔隙催化材料传质与反应的均匀化方法； (4) 生物分子在微纳受限通道内，尤其是在离子浓差极化环境下的运动及富集过程及机理分析。针对微纳阵列分子分离问题，建立了面向实现生物分子连续分离的微纳阵列技术的宏观理论模型，提出了相应的数值算法。针对微纳通道中带电布朗粒子的受限传输问题，通过数值仿真揭示了基于粒子浓差极化现象的粒子富集的机理，确定了可富集离子的输运参数, 并研究了各种控制参数对富集效果的影响。研究了嵌膜微通道的除盐及泵效应，对通道内分子富集效应进行了系统的仿真，在对仿真结果进行系统分析的基础上推导了分子富集与分离问题的解析解。项目研究成果对微纳通道以及周期性微纳孔隙空间中中带电布朗粒子的运动机理给出了完整、明确、显式的表述，对诸多生物、医学、化工、环境等领域的相关应用具备重要的指导意义。

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