不同胶体颗粒的制备及自驱动Janus在不同边界运动行为的研究

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活性物质能从外界摄取能量并转化为自身的运动或有用功。因其有重要的理论研究及潜在的应用价值,近年来成为软物质研究领域的一个热点。本文首先制备了用于不同活性物质系统的胶体颗粒,进而针对由双氧水驱动的活性Janus粒子系统,系统地研究了其在不同边界条件下的运动行为。首先,为了标记杆状细菌的转动行为,我们以铜绿假单胞菌为模版,利用Stober方法,通过单因素变量实验制备了较为光滑的中空胶体二氧化硅结构,目前得到的最优反应条件为菌量2.5×1010/m L,1:1的甲醇—水混合液6 m L,25%氨水0.5 m L,TEOS 3 m L,以420 r/min的速率在室温下搅拌反应2h。将制备的二氧化硅壳颗粒和铜绿假单胞菌混合,初步实现了二氧化硅外壳和铜绿假单胞菌的特异性结合,为后面进一步分析铜绿假单胞菌的转动行为奠定了基础。之后,利用分散聚合的方法合成了聚苯乙烯微球,并使其磺化带电,并在此基础上制备了半球镀铂的Janus粒子,进而研究了在有双氧水存在条件下的Janus粒子的自驱动行为。通过观察Janus颗粒在具有不同障碍物条件下的运动,系统地研究了自驱动微球的运动行为与障碍物的形状,大小以及双氧水浓度等的关系。结果显示Janus粒子可以受限于不同大小的圆柱(3μm,10μm,20μm)或圆球(1.0μm,1.8μm,2.4μm,7.2μm)运动,且随着双氧水浓度(1%-4%)或障碍物粒径的增大,Janus微球更容易受限,同时运动速度加快,但Janus粒子在障碍物周围的运动速度始终比在光滑平面的运动速度小。与Janus粒子绕圆球运动相比,Janus粒子更容易受限于圆柱,且我们推测只有当障碍物的粒径至少大于或等于1μm时,才会发生捕获行为。对Janus粒子取向角的分析结果表明,Janus粒子在绕障碍物运动时的取向角始终大于90°,当Janus粒子在障碍物周围的位置确定时,其取向角也随之固定,并且这种取向作用力是短程的。该研究结果有助于对于自驱动粒子在有障碍环境中运动行为的理解和认识,对未来通过智能控制图案来引导活性物质的运动提供了很好的理论基础,比如可以通过雕刻图案来引导微型游泳者的运动,并根据速度的不同进行分离。
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