Interaktionen mellan en ytmasserad kolnanorör (SWNT) och en laddad isotropisk plan yta innefattar både attraktiva Van der Waals (VDW) krafter och repulsiva elektriska dubbelskikt (EDL) krafter. Dessa två kraftkomponenter är viktiga att förstå när man undersöker hur sådana system reagerar i olika miljöer. Den attraktiva VDW-interaktionen, som beskrivs i tidigare forskning, kan uttryckas matematiskt på ett sätt som inkluderar flera variabler som radie, avstånd och vinkel (𝜑). För att beskriva den EDL-interaktion som uppstår mellan ytmasserade SWNT och en plan yta med en godtycklig vinkel, kan den analytiska formeln ges enligt följande:

\phi_{EDL}(D, 𝜑) = \left\{ \begin{array}{ll} \frac{3}{2} kT \frac{2}{\pi \varepsilon} \cdots \quad \text{för} \quad 0 < \phi < \frac{\pi}{2} \\
\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \

Hur påverkar lösningens jonstyrka och pH nanopartiklarnas transport i porösa medier?

Nanopartiklarnas transport i porösa medier, såsom jord och grundvatten, är ett komplext fenomen som påverkas av flera faktorer. Bland de viktigaste faktorerna är flödeshastighet, jonstyrka (IS) och lösningens pH-värde. Trots att mycket forskning har gjorts på området, finns det fortfarande oklarheter kring hur dessa faktorer samverkar för att påverka nanopartiklarnas rörelse. En av de mest diskuterade aspekterna är hur lösningens jonstyrka påverkar nanopartiklarnas stabilitet och transportförmåga i jord och grundvatten.

Jonstyrkan i lösningen har en betydande inverkan på nanopartiklarnas interaktion med porösa medier. När jonstyrkan ökar komprimeras det elektriska dubbelskiktet vid ytan av nanopartiklarna, vilket minskar deras elektrostatiska repulsion. Detta resulterar i att nanopartiklarna får en högre tendens att deponeras i porösa medier (Adrian et al., 2018). En sådan deponering kan i sin tur orsaka snabb aggregation av nanopartiklar, vilket gör att de blir mindre rörliga i mark och grundvatten. För nanopartiklar som är stabiliserade med hjälp av polymerer, såsom silvernanopartiklar (AgPURE), har det visats att en ökning av jonstyrkan försämrar deras förmåga att transporteras vid låga flödeshastigheter (Adrian et al., 2018).

Det är även viktigt att förstå hur olika katjoner påverkar nanopartiklarnas stabilitet. Multivalenta katjoner, såsom kalcium (Ca²⁺) och magnesium (Mg²⁺), har en mycket starkare effekt på nanopartiklarnas retention i porösa medier än monovalenta katjoner som natrium (Na⁺) eller kalium (K⁺). Dessa multivalenta katjoner kan markant minska nanopartiklarnas rörlighet, vilket gör att de tenderar att fastna i mediet (Wang et al., 2016). En minskning av lösningens jonstyrka kan däremot leda till att redan deponerade nanopartiklar remobiliseras, vilket är särskilt viktigt om partiklarna är fångade i den sekundära minimin (Hahn och O'Melia, 2004).

Vid sidan av jonstyrkan är lösningens pH-värde en annan kritisk faktor som påverkar nanopartiklarnas transport i porösa medier. Studien av Tian et al. (2012b) visade att ett högre pH-värde främjar transporten av olika typer av nanopartiklar, inklusive kolnanorör (CNTs) och nano-TiO₂, genom porösa medier. När pH-värdet ökar från neutrala nivåer (pH 7) till mer basiska nivåer (pH 9–10), blir nanopartiklarna mer negativa på grund av förändringar i deras ytladdning, vilket minskar deras bindning till mediet och gör dem mer rörliga. Det har också visat sig att vid pH 1 och pH 10 uppnås den högsta återvinningen av TiO₂-nanopartiklar, medan lägre återvinning observerades vid neutralt pH (Guzman et al., 2006).

Flödeshastigheten spelar också en roll, även om sambandet mellan flödeshastighet och nanopartiklarnas rörlighet är inte alltid så klart. Lecoanet och Wiesner (2004) rapporterade om en minskad mobilitet för fullerener och CNTs vid högre flödeshastigheter, även om orsaken till detta fenomen fortfarande är oklart. Flödesriktningen är en annan aspekt som påverkar nanopartiklarnas transport. När flödesriktningen ändras kan vissa nanopartiklar som tidigare fastnat i mediet mobiliseras, särskilt de som hålls fast genom porstrypning snarare än genom adsorption (Tian et al., 2012b).

Förutom jonstyrka och pH-värde, är nanopartiklarnas aggregeringsbenägenhet en annan faktor som spelar stor roll för deras transport i porösa medier. Höga koncentrationer av nanopartiklar i lösningen kan leda till att de bildar större aggregat som är svårare att transportera. Lösningens sammansättning, inklusive förekomst av andra lösta ämnen, kan påverka denna aggregering. Därför kan både den kemiska miljön i lösningen och de fysikaliska egenskaperna hos nanopartiklarna själva vara avgörande för deras rörlighet i marken.

En annan aspekt att beakta är hur dessa nanopartiklar interagerar med de olika ytor som de kommer i kontakt med i porösa medier. Forskning har visat att nanopartiklar kan fästa vid flera olika ytor, inklusive solid–vätska-, luft–vätska- och luft–vätska–solid-gränssnitt (Chen et al., 2008). Dessa interaktioner kan göras mer komplexa genom den dynamiska naturen hos porösa medier, som ofta är ojämnt sammansatta och har strukturella variationer som leder till preferentiellt flöde. Därför kan nanopartiklar i sådana medier ha mycket olika transportegenskaper beroende på om de hamnar i områden med snabb eller långsam flödeshastighet.

Matematiska modeller för att simulera nanopartiklars transport har utvecklats för att bättre förstå och förutsäga deras rörelse i jord och grundvatten. De flesta av dessa modeller bygger på advektions-dispersions-ekvationen (ADE) i kombination med interaktionskinetik för att beskriva massöverföringen av nanopartiklar genom olika gränssnitt i de porösa medierna. Användning av programvara som HYDRUS och STANMOD hjälper forskare att simulera experimentella data och förstå hur olika faktorer påverkar nanopartiklarnas dynamik i underjordiska miljöer (Šimůnek et al., 2008).

För att effektivt förutsäga nanopartiklarnas beteende i dessa miljöer är det avgörande att överväga inte bara lösningens kemiska sammansättning utan också den fysiska strukturen hos det porösa mediet. Den stora variationen i porstorlekar och flödesvägar kan leda till mycket komplexa transportmönster, vilket gör att modeller behöver ta hänsyn till dessa heterogeniteter för att ge realistiska prediktioner.

Hur kan vi designa robotmekanismer på ett kostnadseffektivt och kompakt sätt?
Hur Rasism och Den Ekonomiska Nedgången Formade Rust Belt-städerna i USA
Hur Blockchain kan förbättra säkerheten i trådlösa nätverk: Implementering och säkerhetsåtgärder i 4G och 5G
Hur teknologiska verktyg förändrar kommunikation och arbetsflöde