活跃的活跃微型Marangoni冲浪者的实现

2022-02-09 22:44:00龙邦以导读Marangoni冲浪者是小粒子，它们以类似于冲浪者在波浪表面上移动的冲浪方式跨过流体界面而自推进。近年来，实现自推进粒子已成为众多物理学研究的活跃焦

Marangoni冲浪者是小粒子，它们以类似于冲浪者在波浪表面上移动的冲浪方式跨过流体界面而自推进。近年来，实现自推进粒子已成为众多物理学研究的活跃焦点，因为它们可以作为模型来研究具有广泛速度和相互作用的冲浪活动布朗物体的运动。

苏黎世联邦理工学院，实现杜塞尔多夫海因里希海涅大学和伦敦大学学院(UCL)的活跃研究人员最近通过对水和油界面吸收的Janus胶体施加激光，实现了活跃的冲浪微米级Marangoni冲浪者。他们的实现论文发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，该论文建立在先前的活跃几项研究的基础上，这些研究探索了使用光来控制微游泳者的冲浪运动。

两位从事这项研究的实现研究人员Lucio Isa和Nick Jaensson告诉Phys.org：“这项工作是通过不断努力实现更高效且易于控制的微游泳器而实现的。” “我们的结果基于现有的工作，该工作涉及使用光线控制微游泳者的运动以及受限于流体界面的微游泳者的属性，其中包括我们以前的一些工作。”

在之前的一项研究中，Isa和他的同事发现，将Janus颗粒限制在油-水界面允许这些颗粒通过引发催化反应的自生化学梯度自推进。这种效果非常类似于通常在大悬浮液中的颗粒中观察到的效果。

此外，研究人员观察到，由于排斥静电力的作用，这些粒子之间的相互作用非常强，该静电力表征了陷在界面中的物体。尽管这一发现为研究强相互作用的活性颗粒开辟了令人兴奋的新可能性，但众所周知，催化游泳者特别难以利用外部因素进行控制。这是因为它们的推进取决于难于动态调节的化学燃料的浓度。

“解决该问题的方法是将吸光的Janus粒子与不对称温度梯度的产生耦合起来，以及众所周知的想法，即在流体界面处，这些分子会产生表面张力梯度，并且相应地，可以利用Marangoni流动来推动流体的运动。粒子通过空间和时间控制的照明”，Isa和Jaensson说。

Marangoni冲浪者是自我推进的粒子，这意味着他们可以通过在周围环境的特性(例如温度分布)中创建和维持不对称性来将外部能量(例如光)转换为定向运动，进而产生表面张力分布。Marangoni这个名字与这种自推进质量的起源有关，这种质量是由表面张力梯度及其相应的流体流动介导的。这些流体流动的表现可以在几种物理现象(例如，葡萄酒的眼泪和樟脑船的推进)中观察到，被称为马兰戈尼效应。

Isa和Jaensson说：“ Marangoni冲浪者在物理学中很重要，因为它们构成了一个新的模型系统，用于研究具有大的动态范围(每秒高达10,000体长)的动态范围的自推进式微型物体的主动运动。” 。“后者是由流体界面介导的，它也将它们限制在二维平面内而没有固体边界。通过实验研究活性粒子在没有聚集的情况下的集体运动对社区来说是一个挑战，并将铺平道路研究二维材料的方法，例如仅由活性成分制成的晶体和玻璃。”

为了实现微型Marangoni冲浪者，Isa，Jaensson和他们的同事使用了一种简单的方法，即通过称为溅射镀膜的技术，使用金膜镀覆颗粒单层(即紧密堆积的颗粒层)。随后，他们通过使用微型注射器沉积一滴水悬浮液，将颗粒限制在油水界面。

最后，研究人员使用绿色激光照射了粒子。激光的光被粒子的金盖吸收，产生不对称的温度分布。

伊萨和詹森说：“由金帽的吸附产生的不对称温度分布产生了表面张力梯度，该表面张力通过Marangoni流推动了颗粒。” “在存在表面活性物质(即表面活性剂)的情况下，粒子运动还与浓度梯度相关，该浓度梯度产生了第二种表面张力曲线。两者之间的平衡调节了推进力。”

艾萨(Isa)，詹森(Jaensson)及其同事是最早通过利用微尺度的马兰戈尼流来证明活性粒子具有极大推进速度的研究人员之一。而且，通过简单地控制表面活性剂的浓度和照度，可以容易地调节它们产生的颗粒的推进速度。

艾萨和詹森说：“我们展示的颗粒构成了一种新的模型系统，可用于研究新型活性材料的性能。” “我们现在计划扩展我们的研究，从本质上讲，我们专注于表征单粒子推进行为并阐明其微观起源，以同时控制Marangoni冲浪者的组装以实现二维活性材料为例。”