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Janus球形微马达的自驱动机理研究：自扩散泳动与微气泡推进 被引量：3
1
作者 郑旭 崔海航 李战华 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第2期167-185,共19页
微纳马达的研究是一个多学科交叉的新兴领域.其中,Janus微马达利用自身两面异性导致的局部梯度场而产生自驱动现象,引起了学界的普遍关注.本文主要基于目前已开展的工作并借鉴国内外的一些最新成果,以期对Janus球形微马达的物理特征给... 微纳马达的研究是一个多学科交叉的新兴领域.其中,Janus微马达利用自身两面异性导致的局部梯度场而产生自驱动现象,引起了学界的普遍关注.本文主要基于目前已开展的工作并借鉴国内外的一些最新成果,以期对Janus球形微马达的物理特征给出全面的描述.针对铂-二氧化硅(Pt-SiO_2)型Janus微球在过氧化氢溶液中发生的自驱动,通过实验和数值模拟分析了其两种自驱动形式(自扩散泳动和微气泡推进)的物理机制和运动特征.直径小于5mm的Janus微球发生自扩散泳动,通过无量纲均方位移随时间的变化揭示了微球平动经历由纯布朗运动、扩散泳动到类布朗运动的过程,给出了特征时间及不同阶段的主导物理因素.位移概率分布可以表征非高斯性,并分析布朗力矩主导的旋转特性并讨论壁面限制及剪切流的影响.直径20~50mm微球可观测到微气泡推进,微球位移揭示了随气泡尺寸增长,微球经过自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭推进3个阶段组成的周期运动.Rayleigh-Plesset(R-P)方程则揭示了依次由黏性力、表面张力及气泡周围流体压力控制下的气泡生长标度率.本文还从应用角度介绍了交变电场下,利用介电泳操控Janus微球的微穿梭输运(microshuttle)技术,并讨论了自扩散泳与自电泳差别及微气泡推进型微马达效率提高等问题. 展开更多
关键词 微纳马达 janus微球 自扩散泳动 微气泡推进 微纳流控
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种子细乳液聚合法制备PVAc/PS复合微球形貌的研究 被引量：1
2
作者 刘清 黄峥琦 +6 位作者 朱雨露 何奔格 邱水来 张建安 吴明元 吴庆云 杨建军 《化工新型材料》 CAS CSCD 北大核心 2014年第7期175-177,共3页
以乙酸乙烯酯(VAc)和苯乙烯(St)为单体,十六烷(HD)和聚苯乙烯(PS)为助稳定剂,十二烷基硫酸钠(SDS)为乳化剂,采用种子细乳液聚合法通过不同的加料顺序制备了不同形貌的聚苯乙烯(PS)/聚乙酸乙烯酯(PVAc)复合微球。考察了乳化剂和助稳定剂... 以乙酸乙烯酯(VAc)和苯乙烯(St)为单体,十六烷(HD)和聚苯乙烯(PS)为助稳定剂,十二烷基硫酸钠(SDS)为乳化剂,采用种子细乳液聚合法通过不同的加料顺序制备了不同形貌的聚苯乙烯(PS)/聚乙酸乙烯酯(PVAc)复合微球。考察了乳化剂和助稳定剂的用量对聚合稳定性的影响。采用红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)和热失重分析(TGA)等方法对复合微球进行了表征。结果表明,乳化剂的用量为6.5mM、PS/HD质量比为1/4时,聚合反应稳定。以PVAc为种子可以得到Janus结构的复合微球;以PSt为种子可以得到核壳结构的复合微球。进一步采用溶剂去除PS核和皂化反应将PVAc水解,得到了中空结构的PVA微球和Janus型双亲性PS/PVA微球。 展开更多
关键词 复合微球 细乳液聚合 janus微球 核壳 形貌
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自驱动Janus微球近壁运动特性实验与数值模拟研究 被引量：2
3
作者 崔海航 谭晓君 +1 位作者 张鸿雁 陈力 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第13期269-277,共9页
自驱动Janus微球是形状规则但表面构成不同的特殊活性颗粒.针对微米级Pt-Si O2型Janus微球近壁面自驱动现象,实验测得了微球的自驱动速度Janus,并观察到微球运动过程中与垂直方向存在一偏转仰角φ,且φ角随H2O2溶液浓度的增大呈减小趋势... 自驱动Janus微球是形状规则但表面构成不同的特殊活性颗粒.针对微米级Pt-Si O2型Janus微球近壁面自驱动现象,实验测得了微球的自驱动速度Janus,并观察到微球运动过程中与垂直方向存在一偏转仰角φ,且φ角随H2O2溶液浓度的增大呈减小趋势.在此基础上,建立自驱动Janus微球的数值模型,通过模拟得到了微球在不同浓度H2O2溶液中的偏转仰角φ及距底面的高度,模拟与实验一致.利用这些数据进一步讨论了壁面效应对微球旋转特征时间R的影响.这一工作对于理解Janus微球的运动机理及发展相关应用具有重要意义. 展开更多
关键词 janus微球 自驱动 近壁效应 旋转扩散
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自驱动Janus微球的分数Brownian运动研究 被引量：2
4
作者 李斐 张鸿雁 +2 位作者 武美玲 郑旭 崔海航 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2014年第6期663-673,共11页
Janus微球是形状规则但表面构成不同的特殊颗粒.在PIV实验平台上,以Pt-SiO2型Janus颗粒(Φ=1μm,Φ=2μm)为研究对象,获取了通过非对称催化分解H2O2产生自驱动情况下颗粒的不规则运动轨迹,通过统计得出不同观测时间下Janus颗粒在不同浓... Janus微球是形状规则但表面构成不同的特殊颗粒.在PIV实验平台上,以Pt-SiO2型Janus颗粒(Φ=1μm,Φ=2μm)为研究对象,获取了通过非对称催化分解H2O2产生自驱动情况下颗粒的不规则运动轨迹,通过统计得出不同观测时间下Janus颗粒在不同浓度H2O2溶液(0%,2.5%,5%,10%和15%)中的Hurst指数,实验清晰地表明了颗粒轨迹所具有的无规则运动与定向运动的叠加以及反常扩散特征.随后将这一复杂运动分解为随机的Brownian(布朗)运动、自驱动及随机转动的共同作用,并得出了不同因素所主导的特征时间尺度,合理地解释了所观察到的现象. 展开更多
关键词 janus微球 自驱动 BROWNIAN运动 HURST指数 分形
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不同粒径Janus微球的自驱动：实验及驱动机制对比 被引量：1
5
作者 王雷磊 崔海航 +3 位作者 张静 郑旭 王磊 陈力 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2016年第22期160-166,共7页
Janus颗粒是两侧具有不同性质的非均质颗粒的统称.利用Pt-SiO2型Janus微球的Pt一侧催化分解H_2O_2溶液,可以使得颗粒自驱运动.本文首先从实验角度对比了不同粒径、相同浓度下的两类自驱动现象,结果表明在d～O(1μm)时为扩散泳驱动,d～O... Janus颗粒是两侧具有不同性质的非均质颗粒的统称.利用Pt-SiO2型Janus微球的Pt一侧催化分解H_2O_2溶液,可以使得颗粒自驱运动.本文首先从实验角度对比了不同粒径、相同浓度下的两类自驱动现象,结果表明在d～O(1μm)时为扩散泳驱动,d～O(10μm)为气泡驱动,二者在运动轨迹、驱动速度上存在很大差异.随后,分析了主导的力学因素,并根据简化后的受力平衡关系建立了多场耦合的数值模型,重点研究了大粒径下浓度及速度场的分布,据此解释了气泡产生的位置及尺寸,并推断壁面滑移系数是数值模型中的关键匹配参数,及其在不同粒径下变化的可能机理.这一研究将为深入理解自驱动的机理及提高自驱动器件的驱动能力提供理论基础. 展开更多
关键词 janus微球 扩散泳 气泡驱动 滑移边界
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自驱动的Janus微球在具有不同障碍物的表面上的运动行为研究 被引量：1
6
作者 张红 宗奕吾 +1 位作者 杨明成 赵坤 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第13期233-239,共7页
自驱动粒子在靠近边界尤其是平面上障碍物的边界时,会展现出奇特的运动行为.本文通过实验研究了固定于平面上的微米级障碍物的几何效应(包括大小和形状)对双氧水驱动的Janus微球运动行为的影响.实验结果表明,当障碍物尺寸超过临界值后,... 自驱动粒子在靠近边界尤其是平面上障碍物的边界时,会展现出奇特的运动行为.本文通过实验研究了固定于平面上的微米级障碍物的几何效应(包括大小和形状)对双氧水驱动的Janus微球运动行为的影响.实验结果表明,当障碍物尺寸超过临界值后,自驱动的Janus微球会被其“捕获”并沿着其边界定向运动.自驱动粒子在障碍物边界的停留时间及运动速率随着双氧水浓度的增加而增大,且其在圆柱形障碍物边界和球形障碍物边界的停留时间及运动速率均随着障碍物直径的增加而增大.但在相同的双氧水浓度和障碍物直径条件下,自驱动粒子在圆柱边界上的停留时间比其在球形障碍物边界上长;在圆柱边界上的运动速率比在球形障碍物边界上小,揭示了自驱动粒子在障碍物边界上的运动行为与障碍物的几何特性密切相关.本研究有助于进一步理解自驱动粒子在不同大小及形状的障碍物中的运动特征,掌握并利用这些特征在诸如设计特殊几何形状来引导自驱动粒子的运动等领域有很好的应用价值. 展开更多
关键词 自驱动 janus微球 受限 障碍物
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自驱动Janus微球分数布朗运动的颗粒动力学模拟 被引量：1
7
作者 胡静 张鸿雁 +1 位作者 郑旭 崔海航 《水动力学研究与进展（A辑）》 CSCD 北大核心 2014年第4期377-384,共8页
该文通过分析Janus微球的运动过程,建立了包括随机布朗力、布朗力矩、自驱动力及Stokes阻力在内的颗粒动力学模型,通过数值模拟手段研究了不同粒径和不同自驱动速度下Janus微球的分数布朗运动,获得了不同的运动模式、均方位移及Hurst指... 该文通过分析Janus微球的运动过程,建立了包括随机布朗力、布朗力矩、自驱动力及Stokes阻力在内的颗粒动力学模型,通过数值模拟手段研究了不同粒径和不同自驱动速度下Janus微球的分数布朗运动,获得了不同的运动模式、均方位移及Hurst指数。模拟结果表明,Janus微球的均方位移随时间非线性增加,在不同观察时间下Janus微球可呈现出布朗运动、自驱动及类布朗运动的特征,Hurst指数亦产生相应变化。数值模拟结果与实验结果很好地符合,反映出Janus微球的分数布朗运动特性,说明所建颗粒力学模型的合理性,为今后Janus微球的操控与具体应用奠定了基础。 展开更多
关键词 janus微球 数值模拟 自驱动 分数布朗运动
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气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验研究 被引量：2
8
作者 张静 郑旭 +2 位作者 王雷磊 崔海航 李战华 《实验流体力学》 CSCD 北大核心 2017年第2期61-66,共6页
本文通过Pt-SiO_2型(铂-二氧化硅型)中空Janus微球在低浓度2%~4%H_2O_2溶液中的气泡驱动实验,观察到在每个气泡生长-溃灭周期内,Janus微球的运动呈现3个特征阶段,分别为自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭。其中气泡溃灭阶段微球在射流驱动... 本文通过Pt-SiO_2型(铂-二氧化硅型)中空Janus微球在低浓度2%~4%H_2O_2溶液中的气泡驱动实验,观察到在每个气泡生长-溃灭周期内,Janus微球的运动呈现3个特征阶段,分别为自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭。其中气泡溃灭阶段微球在射流驱动下的推进速度可达每秒几十毫米,比前2个阶段的平均速度大2~3个数量级。实验观察到气泡生长阶段其半径与时间存在Rb^t1/3和Rb^t1/2两种标度率。由于气泡在Janus微球催化剂表面(Pt侧)的生长点偏离对称轴位置,Janus微球的运动轨迹呈圆周形。随H_2O_2溶液浓度的增加,还可以进一步提高Janus微球的运动速度。此研究不仅定量分析了Janus微球的运动特性,而且为实际应用中提高Janus双面微马达的运动速度和能量利用率提供了参考依据。 展开更多
关键词 中空janus微球 气泡驱动 气泡溃灭
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