Janus顆粒自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)及運(yùn)動(dòng)特性分析.pdf

1、1991年P(guān)ierre-GillesdeGennes在物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)大會(huì)的演講中首次提出Janus顆粒的概念。Janus顆粒是一種具有雙重性質(zhì)的顆粒,在結(jié)構(gòu)上由物理化學(xué)性質(zhì)不同的兩個(gè)半球組裝而成。利用顆粒兩側(cè)材料特異性的特征引起外部某種場的梯度(如溫度梯度、濃度梯度、光強(qiáng)梯度等)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)自身運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱之為Janus顆粒的自驅(qū)動(dòng)。這種Janus顆粒的自驅(qū)動(dòng)裝置在微流動(dòng)及藥物輸運(yùn)方面具有非常大的應(yīng)用前景,同時(shí)對于自然界中具有相同特征的

2、類顆粒物的認(rèn)識(shí)也具有指導(dǎo)意義。
　　本文研究的是H2O2在Janus顆粒金屬Pt側(cè)發(fā)生催化反應(yīng),產(chǎn)生的分子濃度梯度驅(qū)動(dòng)顆粒自身運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。目前國內(nèi)課題組的研究大都只針對Janus顆粒的制備,并沒有對Janus顆粒自驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,所以對自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法的摸索顯得尤為重要。本文采用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在SiO2顆粒表面蒸鍍7nm厚的金屬Pt形成Pt-SiO2Janus顆粒。實(shí)驗(yàn)過程中采用Micro-PI

3、V/PTV系統(tǒng)對Janus顆粒進(jìn)行觀察和記錄。圖像處理環(huán)節(jié)對采集的圖像進(jìn)行“高斯平滑”處理,解決了Janus顆粒無法定位的難題,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了顆粒的準(zhǔn)確追蹤。由于實(shí)驗(yàn)中采集記錄的數(shù)據(jù)量非常大,本文利用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)了快速求取位矢轉(zhuǎn)角和有效擴(kuò)散系數(shù)的目的,簡化了數(shù)據(jù)處理步驟,減小了工作量。
　　針對位矢轉(zhuǎn)角γ的數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示:在H2O2溶液中運(yùn)動(dòng)的Janus顆粒,對不同采樣時(shí)間Δt所對應(yīng)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析時(shí)γ角的分布規(guī)律是不同的。

4、隨著Δt的增大,自驅(qū)動(dòng)的Janus顆粒由隨機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蜻\(yùn)動(dòng),顆粒達(dá)到定向運(yùn)動(dòng)的采樣時(shí)間隨H2O2溶液濃度的增加而減小。
　　針對有效擴(kuò)散系數(shù)Deff的數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示對于在H2O2水溶液中運(yùn)動(dòng)的Janus顆粒而言,Deff是一條隨Δt變化的曲線:當(dāng)Δt<<τR時(shí)Deff和Δt呈線性關(guān)系;當(dāng)Δt>>τR時(shí)Deff是一個(gè)定值,不隨Δt發(fā)生變化,實(shí)驗(yàn)的這一結(jié)果和相關(guān)理論分析相一致。布朗運(yùn)動(dòng)的顆粒前進(jìn)的動(dòng)力是隨機(jī)熱擾力而自驅(qū)動(dòng)Janu

5、s顆粒的驅(qū)動(dòng)力變?yōu)闈舛忍荻攘?這種梯度力比隨機(jī)熱擾力大兩到三個(gè)數(shù)量級,故處于自驅(qū)動(dòng)的顆粒的有效擴(kuò)散系數(shù)比布朗運(yùn)動(dòng)的大數(shù)十倍,并且隨著H2O2溶液濃度的增加而增加。
　　當(dāng)Janus催化顆粒與環(huán)境顆粒共存時(shí),金屬催化顆粒的回收利用極為重要。本文利用Janus催化顆粒同環(huán)境顆粒在有效擴(kuò)散系數(shù)上的差異性設(shè)計(jì)了Janus催化顆粒的特異性分離模型,并利用數(shù)值仿真手段進(jìn)行原理性的驗(yàn)證,仿真結(jié)果顯示分離效果明顯。
　　本文的自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究