Nichtgleichgewichtseffekte in elektrischen Doppelschichten in engen Kanälen

• Antragsteller: Professor Dr. Steffen Hardt
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313882575

Nichtgleichgewichtseffekte in elektrischen Doppelschichten innerhalb von engen, mit Elektrolyt gefüllten Kanälen werden theoretisch auf der Grundlage der kombinierten Poisson-, Nernst-Planck-, Wärmetransport- und Stokes-Gleichungen untersucht. Zunächst stehen die Effekte eines axialen Temperaturgradienten auf einen mit Elektrolyt gefüllten Parallelplattenkanal im Fokus. Das Geschwindigkeitsfeld aufgrund des thermisch induzierten Kräfteungleichgewichts wird basierend auf asymptotischen Entwicklungen des zugrundeliegenden Systems von Gleichungen berechnet. Auch der Effekt eines temperaturabhängigen Zeta-Potentials an der Kanalwand wird betrachtet. Neben der analytischen Behandlung der Gleichungen werden numerische Lösungen berechnet, um den Gültigkeitsbereich des analytischen Modells zu überprüfen und um den Parameterraum jenseits dieses Regimes zu erforschen. Der Einfluss von chemischen Reaktionen an den Kanalwänden auf den elektroosmotischen Fluss stellt den zweiten Themenschwerpunkt dar. Wenn frischer Elektrolyt per Advektion in einen Kanal gelangt, wird das chemische Gleichgewicht an den Kanalwänden gestört und dadurch das Zeta-Potential potentiell dynamisch verändert. Dieser Effekt und sein Einfluss auf den elektroosmotischen Fluss werden auf der Grundlage eines Reduced-Order-Modells basierend auf einer Mittelung über den Kanalquerschnitt untersucht. Die Beschreibung wird ein einfaches Modell für die Reaktionen an den Kanalwänden und Transportterme für Diffusion, Advektion und Elektromigration von Ionen mit einschließen. Die entsprechenden Parameterstudien werden durch Experimente begleitet, in denen die Geschwindigkeit des elektroosmotischen Flusses als Funktion der Zeit bestimmt wird. Erste Messungen, die in der Arbeitsgruppe des Antragstellers durchgeführt wurden, haben bereits angedeutet, dass das Zeta-Potential eine dynamische Größe ist, die durch den elektroosmotischen Fluss im Kanal beeinflusst wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen