本文選題：微納馬達(dá)　切入點(diǎn)：Janus微球　出處：《科學(xué)通報(bào)》2017年Z1期 　論文類型：期刊論文

【摘要】：微納馬達(dá)的研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域.其中,Janus微馬達(dá)利用自身兩面異性導(dǎo)致的局部梯度場(chǎng)而產(chǎn)生自驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象,引起了學(xué)界的普遍關(guān)注.本文主要基于目前已開展的工作并借鑒國(guó)內(nèi)外的一些最新成果,以期對(duì)Janus球形微馬達(dá)的物理特征給出全面的描述.針對(duì)鉑-二氧化硅(Pt-SiO_2)型Janus微球在過(guò)氧化氫溶液中發(fā)生的自驅(qū)動(dòng),通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了其兩種自驅(qū)動(dòng)形式(自擴(kuò)散泳動(dòng)和微氣泡推進(jìn))的物理機(jī)制和運(yùn)動(dòng)特征.直徑小于5mm的Janus微球發(fā)生自擴(kuò)散泳動(dòng),通過(guò)無(wú)量綱均方位移隨時(shí)間的變化揭示了微球平動(dòng)經(jīng)歷由純布朗運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散泳動(dòng)到類布朗運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,給出了特征時(shí)間及不同階段的主導(dǎo)物理因素.位移概率分布可以表征非高斯性,并分析布朗力矩主導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)特性并討論壁面限制及剪切流的影響.直徑20~50mm微球可觀測(cè)到微氣泡推進(jìn),微球位移揭示了隨氣泡尺寸增長(zhǎng),微球經(jīng)過(guò)自擴(kuò)散泳、氣泡生長(zhǎng)和氣泡潰滅推進(jìn)3個(gè)階段組成的周期運(yùn)動(dòng).Rayleigh-Plesset(R-P)方程則揭示了依次由黏性力、表面張力及氣泡周圍流體壓力控制下的氣泡生長(zhǎng)標(biāo)度率.本文還從應(yīng)用角度介紹了交變電場(chǎng)下,利用介電泳操控Janus微球的微穿梭輸運(yùn)(microshuttle)技術(shù),并討論了自擴(kuò)散泳與自電泳差別及微氣泡推進(jìn)型微馬達(dá)效率提高等問(wèn)題.
[Abstract]:The research of micro / nano motors is a new and interdisciplinary field, in which Janus micro motors make use of the local gradient field caused by their two faces to produce self driving phenomenon. This paper is mainly based on the work that has been carried out and draws on some latest achievements at home and abroad. In order to give a comprehensive description of the physical characteristics of Janus spherical micromotors, the self-actuation of platinum-silica Pt-SiO2) Janus microspheres in hydrogen peroxide solution was studied. The physical mechanism and motion characteristics of two self-driving forms (self-diffusion swimming and micro-bubble propulsion) are analyzed by experiment and numerical simulation. Self-diffusion swimming occurs in Janus microspheres with diameter less than 5 mm. Through the change of dimensionless mean square displacement with time, it is revealed that the translational movement of microspheres has experienced the process from pure Brownian motion, diffusion swimming motion to Brownian motion. The characteristic time and the dominant physical factors in different stages are given. The rotation characteristics dominated by Brownian moment are analyzed and the effects of wall limitation and shear flow are discussed. The microbubble propulsion can be observed by the diameter of 20 ~ 50mm microspheres. The displacement of the microspheres reveals that the microspheres go through self-diffusion swimming with the increase of bubble size. The periodic motion. Rayleigh-PlessetSet R-P equation of bubble growth and bubble collapse and propulsion reveals that the viscosity force is the main component of the equation. Surface tension and bubble growth scaling rate controlled by fluid pressure around bubbles. This paper also introduces the microshuttletechnology of Janus microspheres controlled by dielectric electrophoresis under alternating electric field from the point of view of application. The difference between self diffusion and self-electrophoretic and the improvement of efficiency of micro-bubble propulsion micromotor are discussed.
【作者單位】： 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LNM);西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金(11572335,11272322) 西安建筑科技大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助
【分類號(hào)】：TB383.1

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