空化氣泡與懸浮微顆粒相互作用的實驗研究.pdf

1、近年來，由于Janus顆粒結構新穎使其具備多種應用潛能，作為一個多學科交叉的新興領域已經引起了極大的關注。Janus顆粒是指表面被兩種不同性質材料覆蓋的微納米粒子，也稱為“雙面球”。利用Janus顆粒自身兩面性質的差異可以在溶液中建立局部梯度場或產生微氣泡進而引起Janus顆粒自驅運動。常見的Janus顆粒自驅動類型包括梯度場驅動和微氣泡驅動，其中梯度場驅動又分為：自擴散泳驅動、自熱泳驅動、自電泳驅動和自光泳驅動等。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變顆

2、粒形狀或增大其尺寸，可以使氣體分子聚集成核形成微氣泡，進而驅動Janus顆粒運動。通常微氣泡驅動具有更快的驅動速度和更高的應用價值，因此引起更廣泛的關注。
　　本文首先介紹了相關研究背景，基于氣泡高效驅動Janus顆粒運動的優(yōu)勢，制備出一種具有更高效驅動性能的氣泡推進型Pt-SiO2中空Janus微球，相比于目前研究的準振蕩模式的氣泡驅動和管狀微馬達的氣泡驅動，驅動效率明顯提升。其次通過實驗的方法對微氣泡和中空Janus微球組成的

3、空化氣泡與懸浮微顆粒相互作用的系統(tǒng)進行研究。一方面，利用高速CCD攝影法拍攝了Pt-SiO2型中空Janus微球在低濃度2％～4%H2O2溶液中的微氣泡推進運動。實驗結果表明：在每個氣泡生長-潰滅周期內，Janus微球的運動呈現(xiàn)三個特征階段，分別為自擴散泳、氣泡生長和氣泡潰滅，其中氣泡潰滅階段的平均速度比前兩個階段的平均速度高2～3個數(shù)量級；氣泡生長階段其半徑與時間分別存在Rb～t2/3、Rb～t1/2和Rb～t1/3三種標度率；氣泡在

4、Janus微球催化劑表面（Pt側）的生長點偏離對稱軸位置，Janus微球的運動軌跡呈圓周形。另一方面，利用M icro-PIV技術對微氣泡潰滅瞬間流體的速度場及流動形態(tài)進行可視化研究，并通過與實心Janus微球對比，研究界面對微氣泡驅動的影響。實驗結果表明：微氣泡潰滅以后使周圍流場形成非對稱分布，進而產生強烈的微射流，其瞬時速度可達到0.1～1m/s量級，是提高自驅動速度的關鍵環(huán)節(jié)；界面會顯著影響微氣泡潰滅后的射流方向；中空Janus微

5、球氣泡潰滅產生的微射流，能夠將空化氣泡中儲存的部分能量加以有效利用，實現(xiàn)高速自驅動。
　　綜上所述，本課題組制備出一種具有高效驅動性能的Pt-SiO2型中空Janus微球，并以此為研究對象，通過實驗的方法對空化氣泡與懸浮微顆粒相互作用的系統(tǒng)進行研究，明確了微氣泡推進中空Janus微球的運動特性，并揭示出將微氣泡潰滅產生的微射流加以利用是實現(xiàn)Janus微球高效驅動的關鍵。鑒于此，以上結果不僅使得Janus微球的運動機理得以進一步完善