Janus顆粒自驅運動的實驗與受限模擬研究.pdf

1、Janus顆粒是由物理或化學性質不同的兩部分所構成的顆粒的總稱。利用Janus顆粒兩側性質的差異可以建立濃度、溫度或光強等物理量的梯度場,在這些梯度場作用下顆粒會產生不同類型的“泳動”,稱為 Janus顆粒的自驅動?；瘜W合成方法的進步,使制備各種各樣的Janus顆粒自驅動裝置成為可能。Janus顆粒的自驅動在微系統、生物、環(huán)境、醫(yī)學等領域具有重要的應用。
　　本文先從實驗出發(fā),研究了Janus顆粒的運動特性。實驗以微米級Pt-Si

2、O2型Janus顆粒催化分解H2O2體系為研究對象,用Micro-PIV技術觀測Janus微顆粒在純水及不同濃度(2.5％、5%、10%)H2O2溶液中的自驅運動。實驗結果表明:與經典布朗運動給出的定常擴散系數不同,Janus顆粒的有效擴散系數Def與統計時間間隔有關:在短統計時間間隔內Deff線性增加,隨后隨統計時間間隔?t增長Def趨于一穩(wěn)定值,該值可達純水中同粒徑顆粒擴散系數的10~100倍。Def由線性增加轉變?yōu)榉€(wěn)定的特征時間τ

3、R隨粒徑增大而增大,與H2O2溶液濃度的關系不明顯。進一步考察顆粒均方位移2?L、位矢轉角γ的統計變化規(guī)律,清楚看出Janus顆粒運動形式從推進擴散到類布朗運動的轉變。通過位矢轉角γ的概率分布圖可以近似定量確定τR。
　　通過觀察2?m Pt-SiO2型Janus顆粒的自驅運動圖像,本文發(fā)現對于d=2?m的顆粒,其自驅運動在重力、擴散泳力、流體粘滯力等的作用下具有準二維的特征,即顆粒基本處在某一近壁平面內進行隨機地平動,而不會產生

4、高度方向的躍動和滾動。以此為基礎,本文又利用COMSOL Multiphysics軟件,針對這一準二維自驅動問題建立了基于相對參考系下的CFD連續(xù)介質模擬,從擴散泳力角度解釋了Janus顆粒的自驅運動機理,研究了壁面對顆粒運動的影響。得到了顆粒周圍速度場和濃度場的分布,然后計算顆粒所受到的各類力。根據力的平衡原理,顆粒運動時距離底面的高度被精確得出,在2.5%、5%和10%H2O2溶液中時分別為2.1?m、3?m和3.2?m。同時,也得