Realiseringen af ​​aktive mikroskala Marangoni -surfere

Marangoni-surfere er små partikler, der selvkører, mens de grænser op til en væske-væske-grænseflade på en måde, der ligner den, hvor en surfer bevæger sig på overfladen af ​​en bølge. I de seneste år, selvkørende partikler er blevet omdrejningspunktet for talrige fysikstudier, da de kunne tjene som en model for at studere bevægelsen af ​​aktive brune objekter med en bred vifte af hastigheder og interaktioner.

Forskere ved ETH Zürich, Heinrich-Heine University i Düsseldorf og University College London (UCL) har for nylig realiseret aktive mikrometriske Marangoni-surfere ved at anvende laserlys på Janus-kolloider absorberet ved vand-olie-grænseflader. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , bygger på flere tidligere undersøgelser, der udforsker brugen af ​​lys til at styre bevægelsen af ​​mikrosvømmere.

"Dette arbejde skete gennem en fortsat indsats for at realisere mikrosvømmere, der er mere effektive, og som let kan kontrolleres, "Lucio Isa og Nick Jaensson, to af forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vores resultater er baseret på en eksisterende arbejdsgruppe, der beskæftiger sig med at kontrollere mikrosvømmernes bevægelse ved hjælp af lys og med egenskaberne af mikrosvømmere, der er begrænset til væskeinterfaces, som inkluderer nogle af vores tidligere arbejder. "

I en af ​​deres tidligere undersøgelser, Isa og hans kolleger fandt ud af, at begrænsning af Janus-partikler ved olie-vand-grænseflader tillod disse partikler at selvkøre via selvgenererede kemiske gradienter, der udløste katalytiske reaktioner. Denne effekt ligner meget den, der ofte observeres i partikler inde i bulksuspensioner.

Ud over, forskerne observerede, at disse partikler kunne interagere meget stærkt med hinanden på grund af de frastødende elektrostatiske kræfter, der karakteriserer objekter fanget i grænseflader. Mens denne observation åbnede spændende nye muligheder for undersøgelse af stærkt interagerende aktive partikler, katalytiske svømmere er kendt for at være særligt vanskelige at kontrollere ved hjælp af eksterne faktorer. Dette skyldes, at deres fremdrift afhænger af koncentrationen af ​​kemisk brændstof, hvilket er svært at regulere dynamisk.

"Løsningen på dette problem kom ved at koble dannelsen af ​​asymmetriske temperaturgradienter ved hjælp af lysabsorberende Janus-partikler og den velkendte idé om, at ved væskeinterfaces, dem genererer overfladespændingsgradienter og, tilsvarende, Marangoni -strømme, der kunne udnyttes til at drive partiklerne via rumligt og tidsmæssigt kontrolleret belysning, "Sagde Isa og Jaensson.

Marangoni-surfere er selvkørende partikler, hvilket betyder, at de kan konvertere eksterne energikilder (f.eks. lys) i rettet bevægelse ved at skabe og opretholde en asymmetri i egenskaberne for deres omgivende miljø (f.eks. temperaturprofiler), til gengæld at generere overfladespændingsprofiler. Navnet Marangoni er forbundet med oprindelsen til denne selvkørende kvalitet, som medieres af overfladespændingsgradienter og deres tilsvarende væskestrømme. Manifestationen af ​​disse væskestrømme, som kan observeres i flere fysiske fænomener (f.eks. vin tårer og fremdrift af kamferbåde), er kendt som Marangoni -effekten.

"Marangoni-surfere er vigtige i fysik, fordi de udgør et nyt modelsystem til at studere den aktive bevægelse af selvkørende mikroskalaobjekter med et enormt dynamisk område af hastigheder (op til 10, 000 kropslængder i sekundet) og indstillelige interaktioner, "Isa og Jaensson sagde." Sidstnævnte formidles af den flydende grænseflade, som også begrænser dem i et todimensionalt plan uden tilstedeværelse af faste grænser. Eksperimentelt at studere den kollektive bevægelse af aktive partikler i mangel af aggregering har været en udfordring for samfundet og vil bane vejen for at studere todimensionelle materialer som krystaller og glas udelukkende lavet af aktive komponenter. "

For at realisere Marangoni -surfere i mikroskala, Er en, Jaensson og deres kolleger brugte en simpel metode, der indebærer belægning af et partikelmonolag (dvs. tætpakket lag af partikler) ved hjælp af en guldfilm via en teknik kendt som sputtercoating. Efterfølgende, de begrænsede partiklerne ved en olie-vand-grænseflade ved at deponere en dråbe af en vandig suspension ved hjælp af en mikrosprøjte.

Endelig, forskerne belyste partiklerne ved hjælp af en grøn laser. Lyset fra denne laser blev absorberet af partikelens guldhætter, generere en asymmetrisk temperaturprofil.

"Den asymmetriske temperaturprofil genereret ved adsorptionen af ​​guldhætten genererer en overfladespændingsgradient, der driver partiklerne via Marangoni -strømme, "Sagde Isa og Jaensson." I nærvær af overfladeaktive arter, dvs. overfladeaktive stoffer, partikelbevægelsen er også koblet til en koncentrationsgradient, som genererer en anden overfladespændingsprofil. Balancen mellem de to regulerer fremdriften. "

Er en, Jaensson og deres kolleger er blandt de første forskere, der demonstrerede aktive partikler med en ekstremt bred vifte af mulige fremdriftshastigheder ved at udnytte Marangoni -strømme i mikroskalaen. I øvrigt, fremdriftshastighederne for de partikler, de skabte, kan let reguleres ved blot at kontrollere overfladeaktivt koncentration og belysning.

"Partiklerne, vi demonstrerede, udgør et nyt modelsystem, der kan bruges til at undersøge egenskaberne af en ny klasse af aktive materialer, "Isa og Jaensson sagde." Vi planlægger nu at forlænge vores studier, hvor vi i det væsentlige har fokuseret på at karakterisere enkeltpartikel-fremdriftsadfærden og på at belyse dens mikroskopiske oprindelse, til sagen om samtidig kontrol af samlinger af Marangoni-surfere mod realisering af todimensionale aktive materialer. "

© 2020 Science X Network