Janus微球高效自驱运动研究
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摘要
Janus颗粒由物理或化学性质不同的两部分所构成,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,并导致Janus颗粒的自驱动。在微尺度下,自驱动具有重要的应用前景,其机理研究正日益受到重视。比如1-2μm的铂-二氧化硅(Pt-SiO_2)型Janus微球在过氧化氢H_2O_2溶液中,H_2O_2在Pt一侧催化分解形成浓度梯度导致的自扩散泳动。之前的研究表明,这类自扩散泳动驱动速度约为10μm/s,特征扩散系数能增大约2个量级。而近来实验发现,当微球直径增大到10μm以上时,催化反应产生的氧气会在Pt侧形成气泡,从而加速推进微球自驱动运动。这提高了气泡推进微马达(micro-motor)器件的化学能向机械能转变效率,增强了自驱动的应用前景。其驱动机理仍有待我们研究。本文以直径20-50μm的Pt-SiO_2型中空Janus微球在H_2O_2溶液体系为研究对象,用MicroPTV技术观测Janus微球在纯水及不同浓度(2-3%)H_2O_2溶液中的自驱动运动。在球形微马达中实现了高达500μm/s的自驱动,约为25LB/s(length to body persecond),并且整体驱动效率高达10~((-8)),远高于文献的驱动效率10~((-10))。实验结果表明:(1)微气泡可将Janus微球的推进速度提高到0.5mm/s以上;(2)微气泡推进过程,Janus微球运动可以分为(a)浓度梯度主导、(b)气泡生长推进和(c)气泡溃灭三个阶段;(3)气泡溃灭时产生朝向Janus微球的瞬时射流,被认为是提高速度及能量转化效率的关键环节。
引文