Janus顆粒自驅(qū)運動的實驗與受限模擬研究.pdf

1、Janus顆粒是由物理或化學(xué)性質(zhì)不同的兩部分所構(gòu)成的顆粒的總稱。利用Janus顆粒兩側(cè)性質(zhì)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(chǎn)生不同類型的“泳動”,稱為 Janus顆粒的自驅(qū)動。化學(xué)合成方法的進步,使制備各種各樣的Janus顆粒自驅(qū)動裝置成為可能。Janus顆粒的自驅(qū)動在微系統(tǒng)、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)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(shù)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(qū)運動。實驗結(jié)果表明:與經(jīng)典布朗運動給出的定常擴散系數(shù)不同,Janus顆粒的有效擴散系數(shù)Def與統(tǒng)計時間間隔有關(guān):在短統(tǒng)計時間間隔內(nèi)Deff線性增加,隨后隨統(tǒng)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(shù)的10~100倍。Def由線性增加轉(zhuǎn)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(guān)系不明顯。進一步考察顆粒均方位移2?L、位矢轉(zhuǎn)角γ的統(tǒng)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(zhuǎn)變。通過位矢轉(zhuǎn)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(qū)運動圖像,本文發(fā)現(xiàn)對于d=2?m的顆粒,其自驅(qū)運動在重力、擴散泳力、流體粘滯力等的作用下具有準(zhǔn)二維的特征,即顆?；咎幵谀骋唤谄矫鎯?nèi)進行隨機地平動,而不會產(chǎn)生

4、高度方向的躍動和滾動。以此為基礎(chǔ),本文又利用COMSOL Multiphysics軟件,針對這一準(zhǔn)二維自驅(qū)動問題建立了基于相對參考系下的CFD連續(xù)介質(zhì)模擬,從擴散泳力角度解釋了Janus顆粒的自驅(qū)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(jù)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