自驅(qū)動(dòng)Janus顆粒運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、自驅(qū)動(dòng)Janus顆粒是由物理或化學(xué)性質(zhì)不同的兩部分所構(gòu)成的活性顆粒。在不同的外部條件下，Janus顆?？梢栽谄鋬蓚?cè)形成濃度、溫度或光強(qiáng)等物理場(chǎng)的非對(duì)稱分布。在微米尺度下，由催化/非催化表面構(gòu)成的Janus微球與溶液混合后，在反應(yīng)側(cè)/未反應(yīng)側(cè)會(huì)形成分子數(shù)的梯度，在擴(kuò)散泳力的推動(dòng)下能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，產(chǎn)生自驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。在微流控芯片及微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，Janus顆粒的自驅(qū)動(dòng)可以替代電池作為簡(jiǎn)單緊湊的微驅(qū)動(dòng)部件，用于微操作、顆粒分離等方面，具

2、有重要的應(yīng)用價(jià)值；在基礎(chǔ)研究方面，Janus顆粒的自驅(qū)動(dòng)與凝聚態(tài)物理、物質(zhì)反常擴(kuò)散、分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)及單細(xì)胞生物的趨向性等研究緊密相關(guān)，具有重要的理論價(jià)值。
　　本文首先介紹了有關(guān)Janus顆粒的課題背景，并從先前課題組的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)了有關(guān)自驅(qū)動(dòng)Janus顆粒運(yùn)動(dòng)的基本物理特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其次，通過(guò)PIV實(shí)驗(yàn)記錄并分析了Janus顆粒微球的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)ImageJ軟件平臺(tái)處理獲得了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下Janus微球的偏轉(zhuǎn)仰角?，以及基于Com

3、sol Multiphysics多物理場(chǎng)耦合軟件建立了描述Janus微球自驅(qū)動(dòng)的數(shù)值模型。再次，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的自驅(qū)動(dòng)速度VJanus確定了數(shù)值模型中的匹配常數(shù)σ，研究了不同類型自驅(qū)動(dòng)微球距底面的平衡位置δ及偏轉(zhuǎn)仰角φ，討論了近壁受限情況下，自驅(qū)動(dòng)顆粒的平衡位置與偏轉(zhuǎn)仰角對(duì)典型宏觀統(tǒng)計(jì)參數(shù)（如Deff、τR等）的影響。
　　另外，在此自驅(qū)動(dòng)的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，不考慮壁面的影響，由Pt-SiO2型Janus微球的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定

4、了遷移速率匹配常數(shù)σ。然后，研究了三種不同形狀的Janus顆粒的自驅(qū)動(dòng)，結(jié)果表明圓柱及橢球狀Janus顆粒具有更快的自驅(qū)動(dòng)速度，燃料消耗更多。特別地，對(duì)于圓柱狀顆粒，研究了粗細(xì)程度對(duì)圓柱狀顆粒自驅(qū)動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明存在最優(yōu)的直徑與長(zhǎng)度比（D/L=0.28）。這一研究可為Janus顆粒有關(guān)形狀因素的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　通過(guò)上述研究工作，最后得出自驅(qū)動(dòng)Janus顆粒的近壁運(yùn)動(dòng)特性及形狀對(duì)自驅(qū)動(dòng)Janus顆粒運(yùn)動(dòng)特性影響的機(jī)理。