空化氣泡與懸浮微顆粒相互作用的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近年來(lái)，由于Janus顆粒結(jié)構(gòu)新穎使其具備多種應(yīng)用潛能，作為一個(gè)多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域已經(jīng)引起了極大的關(guān)注。Janus顆粒是指表面被兩種不同性質(zhì)材料覆蓋的微納米粒子，也稱為“雙面球”。利用Janus顆粒自身兩面性質(zhì)的差異可以在溶液中建立局部梯度場(chǎng)或產(chǎn)生微氣泡進(jìn)而引起Janus顆粒自驅(qū)運(yùn)動(dòng)。常見(jiàn)的Janus顆粒自驅(qū)動(dòng)類型包括梯度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和微氣泡驅(qū)動(dòng)，其中梯度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)又分為：自擴(kuò)散泳驅(qū)動(dòng)、自熱泳驅(qū)動(dòng)、自電泳驅(qū)動(dòng)和自光泳驅(qū)動(dòng)等。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變顆

2、粒形狀或增大其尺寸，可以使氣體分子聚集成核形成微氣泡，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)Janus顆粒運(yùn)動(dòng)。通常微氣泡驅(qū)動(dòng)具有更快的驅(qū)動(dòng)速度和更高的應(yīng)用價(jià)值，因此引起更廣泛的關(guān)注。
　　本文首先介紹了相關(guān)研究背景，基于氣泡高效驅(qū)動(dòng)Janus顆粒運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，制備出一種具有更高效驅(qū)動(dòng)性能的氣泡推進(jìn)型Pt-SiO2中空J(rèn)anus微球，相比于目前研究的準(zhǔn)振蕩模式的氣泡驅(qū)動(dòng)和管狀微馬達(dá)的氣泡驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)效率明顯提升。其次通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)微氣泡和中空J(rèn)anus微球組成的

3、空化氣泡與懸浮微顆粒相互作用的系統(tǒng)進(jìn)行研究。一方面，利用高速CCD攝影法拍攝了Pt-SiO2型中空J(rèn)anus微球在低濃度2％～4%H2O2溶液中的微氣泡推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在每個(gè)氣泡生長(zhǎng)-潰滅周期內(nèi)，Janus微球的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)三個(gè)特征階段，分別為自擴(kuò)散泳、氣泡生長(zhǎng)和氣泡潰滅，其中氣泡潰滅階段的平均速度比前兩個(gè)階段的平均速度高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)；氣泡生長(zhǎng)階段其半徑與時(shí)間分別存在Rb～t2/3、Rb～t1/2和Rb～t1/3三種標(biāo)度率；氣泡在

4、Janus微球催化劑表面（Pt側(cè)）的生長(zhǎng)點(diǎn)偏離對(duì)稱軸位置，Janus微球的運(yùn)動(dòng)軌跡呈圓周形。另一方面，利用M icro-PIV技術(shù)對(duì)微氣泡潰滅瞬間流體的速度場(chǎng)及流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行可視化研究，并通過(guò)與實(shí)心Janus微球?qū)Ρ?，研究界面?duì)微氣泡驅(qū)動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微氣泡潰滅以后使周圍流場(chǎng)形成非對(duì)稱分布，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的微射流，其瞬時(shí)速度可達(dá)到0.1～1m/s量級(jí)，是提高自驅(qū)動(dòng)速度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；界面會(huì)顯著影響微氣泡潰滅后的射流方向；中空J(rèn)anus微

5、球氣泡潰滅產(chǎn)生的微射流，能夠?qū)⒖栈瘹馀葜袃?chǔ)存的部分能量加以有效利用，實(shí)現(xiàn)高速自驅(qū)動(dòng)。
　　綜上所述，本課題組制備出一種具有高效驅(qū)動(dòng)性能的Pt-SiO2型中空J(rèn)anus微球，并以此為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)空化氣泡與懸浮微顆粒相互作用的系統(tǒng)進(jìn)行研究，明確了微氣泡推進(jìn)中空J(rèn)anus微球的運(yùn)動(dòng)特性，并揭示出將微氣泡潰滅產(chǎn)生的微射流加以利用是實(shí)現(xiàn)Janus微球高效驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵。鑒于此，以上結(jié)果不僅使得Janus微球的運(yùn)動(dòng)機(jī)理得以進(jìn)一步完善