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Janus颗粒自驱动实验及运动特性分析

作　者: 宫春亮
导　师: 张鸿雁
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: Janus颗粒自驱动位矢转角有效扩散系数特异性分离
分类号: O552.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

1991年Pierre-Gilles de Gennes在物理学诺贝尔奖颁奖大会的演讲中首次提出Janus颗粒的概念。Janus颗粒是一种具有双重性质的颗粒，在结构上由物理化学性质不同的两个半球组装而成。利用颗粒两侧材料特异性的特征引起外部某种场的梯度（如温度梯度、浓度梯度、光强梯度等）进而驱动自身运动的现象称之为Janus颗粒的自驱动。这种Janus颗粒的自驱动装置在微流动及药物输运方面具有非常大的应用前景，同时对于自然界中具有相同特征的类颗粒物的认识也具有指导意义。本文研究的是H₂O₂在Janus颗粒金属Pt侧发生催化反应，产生的分子浓度梯度驱动颗粒自身运动的现象。目前国内课题组的研究大都只针对Janus颗粒的制备，并没有对Janus颗粒自驱动的动力学性质进行研究，所以对自驱动实验过程的设计及相关数据处理方法的摸索显得尤为重要。本文采用电子束蒸发镀膜技术在SiO₂颗粒表面蒸镀7nm厚的金属Pt形成Pt-SiO₂Janus颗粒。实验过程中采用Micro-PIV/PTV系统对Janus颗粒进行观察和记录。图像处理环节对采集的图像进行“高斯平滑”处理，解决了Janus颗粒无法定位的难题，进而实现了颗粒的准确追踪。由于实验中采集记录的数据量非常大，本文利用Matlab软件实现了快速求取位矢转角和有效扩散系数的目的，简化了数据处理步骤，减小了工作量。针对位矢转角γ的数据处理结果显示：在H₂O₂溶液中运动的Janus颗粒，对不同采样时间Δt所对应的数据集进行分析时γ角的分布规律是不同的。随着Δt的增大，自驱动的Janus颗粒由随机运动转变为定向运动，颗粒达到定向运动的采样时间随H₂O₂溶液浓度的增加而减小。针对有效扩散系数Deff的数据处理结果显示对于在H₂O₂水溶液中运动的Janus颗粒而言，Deff是一条随Δt变化的曲线：当Δt<<τR时Deff和Δt呈线性关系；当Δt>>τR时Deff是一个定值，不随Δt发生变化，实验的这一结果和相关理论分析相一致。布朗运动的颗粒前进的动力是随机热扰力而自驱动Janus颗粒的驱动力变为浓度梯度力，这种梯度力比随机热扰力大两到三个数量级，故处于自驱动的颗粒的有效扩散系数比布朗运动的大数十倍，并且随着H₂O₂溶液浓度的增加而增加。当Janus催化颗粒与环境颗粒共存时，金属催化颗粒的回收利用极为重要。本文利用Janus催化颗粒同环境颗粒在有效扩散系数上的差异性设计了Janus催化颗粒的特异性分离模型，并利用数值仿真手段进行原理性的验证，仿真结果显示分离效果明显。本文的自驱动实验研究及相关运动规律的分析有助于进一步了解Janus颗粒的自驱动现象，对自驱动装置的实际应用及如何实现Janus颗粒的定向运动等方面具有重要意义。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
符号表  7-10
1 绪论  10-21
  1.1 研究背景及意义  10-15
    1.1.1 Janus 颗粒的简介  10-11
    1.1.2 Janus 颗粒的典型应用  11-13
    1.1.3 Janus 颗粒的自驱动  13-15
  1.2 国内外研究现状  15-19
    1.2.1 常规布朗运动的研究现状  15-16
    1.2.2 颗粒自驱动的研究现状  16-18
    1.2.3 国内研究现状  18-19
  1.3 研究目的及内容  19-21
2 液滴中 Janus 颗粒自驱动的测量实验  21-36
  2.1 布朗粒子运动的测量  21-25
    2.1.1 测量方法  21-22
    2.1.2 实验仪器  22-25
  2.2 样品准备  25-29
    2.2.1 粒径测量  25-27
    2.2.2 Janus 颗粒的制作  27-29
  2.3 实验过程及 CCD 图像录制  29-30
  2.4 图像处理环节  30-35
  2.5 本章小结  35-36
3 Janus 颗粒自驱动的运动特性分析  36-54
  3.1 自驱动机理分析  36-37
  3.2 H2O2的催化分解反应  37-38
  3.3 颗粒位移矢量的计算  38-41
  3.4 位矢转角γ的计算及分析  41-48
    3.4.1 纯水中的位矢转角分布  42-43
    3.4.2 2.5% H2O2中的位矢转角分布  43-44
    3.4.3 5% H2O2中的位矢转角分布  44-46
    3.4.4 10% H2O2中的位矢转角分布  46-47
    3.4.5 对比分析  47-48
  3.5 有效扩散系数的计算及分析  48-53
    3.5.1 高斯拟合法  48-51
    3.5.2 对比分析  51-53
  3.6 本章小结  53-54
4 自驱动催化颗粒的特异性分离模型  54-63
  4.1 背景  54-55
  4.2 分离模型的提出  55-57
  4.3 原理性验证  57-62
    4.3.1 数值模型的搭建  57-59
    4.3.2 仿真结果及讨论  59-62
  4.4 本章小结  62-63
5 结论与展望  63-65
  5.1 结论  63
  5.2 展望  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-70
在读期间取得的研究成果  70

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