Janus颗粒自驱运动的实验与受限模拟研究

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Janus颗粒是由物理或化学性质不同的两部分所构成的颗粒的总称。利用Janus颗粒两侧性质的差异可以建立浓度、温度或光强等物理量的梯度场,在这些梯度场作用下颗粒会产生不同类型的“泳动”,称为Janus颗粒的自驱动。化学合成方法的进步,使制备各种各样的Janus颗粒自驱动装置成为可能。Janus颗粒的自驱动在微系统、生物、环境、医学等领域具有重要的应用。本文先从实验出发,研究了Janus颗粒的运动特性。实验以微米级Pt-SiO2型Janus颗粒催化分解H2O2体系为研究对象,用Micro-PIV技术观测Janus微颗粒在纯水及不同浓度(2.5%、5%、10%)H2O2溶液中的自驱运动。实验结果表明:与经典布朗运动给出的定常扩散系数不同,Janus颗粒的有效扩散系数Deff与统计时间间隔有关:在短统计时间间隔内Deff线性增加,随后随统计时间间隔t增长Deff趋于一稳定值,该值可达纯水中同粒径颗粒扩散系数的10~100倍。Deff由线性增加转变为稳定的特征时间τR随粒径增大而增大,与H2O2溶液浓度的关系不明显。进一步考察颗粒均方位移L2、位矢转角γ的统计变化规律,清楚看出Janus颗粒运动形式从推进扩散到类布朗运动的转变。通过位矢转角γ的概率分布图可以近似定量确定τR。通过观察2m Pt-SiO2型Janus颗粒的自驱运动图像,本文发现对于d=2m的颗粒,其自驱运动在重力、扩散泳力、流体粘滞力等的作用下具有准二维的特征,即颗粒基本处在某一近壁平面内进行随机地平动,而不会产生高度方向的跃动和滚动。以此为基础,本文又利用COMSOL Multiphysics软件,针对这一准二维自驱动问题建立了基于相对参考系下的CFD连续介质模拟,从扩散泳力角度解释了Janus颗粒的自驱运动机理,研究了壁面对颗粒运动的影响。得到了颗粒周围速度场和浓度场的分布,然后计算颗粒所受到的各类力。根据力的平衡原理,颗粒运动时距离底面的高度被精确得出,在2.5%、5%和10%H2O2溶液中时分别为2.1m、3m和3.2m。同时,也得到了关联实验与模拟的匹配系数148、51.8和27.2。这个结果可以帮助我们更好地理解自驱运动及物质的输运过程,并且有利于设计基于扩散泳力的微器件。
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