自驱动的Janus微球在无规障碍物中运动行为的研究

Active matter can extract energy from the environment and convert it into kinetic motion or useful work. It is widespread in nature, compose a non-equilibrium system and has important theory value and many potential practical applications, thus it becomes a hot research topic recently. Self-propelled Janus microsphere is a typical model system for active matter. The study of the dynamic behavior of the self-propelled Janus microspheres in environment with obstacles will help us to understand the dynamics of active matter in real-world environment, while there is no systematic experimental study on it yet. In this proposal, we will try to investigate the relationship between the dynamics of the self-propelled Janus microspheres and the type, size and density of the obstacles by studying the dynamic behaviors of the self-propelled Janus microspheres on disorder landscape experimentally. We will use platinum-coated microscale Janus microsphere catalyzed by hydrogen peroxide as a self-propelled system, to study the single particle dynamics of the particles on disorder landscapes. Then we will further study the effect of the obstacles on the collective motion of the self-propelled Janus microspheres. The proposed project will help us to understand the dynamics of the self-propelled Janus microspheres on disorder landscapes, and hence provide us an experimental support for establishing the framework of the dynamics of active matter in the real-world environment.

活性物质能从外界摄取能量并转化为自身的运动或有用功。因其在自然界中广泛存在，所构成的体系为非平衡体系、有重要的理论研究及潜在的应用价值，近年来成为研究热点。自驱动的Janus微球是研究活性物质的典型模型，其在障碍物中的运动行为是了解活性物质在真实环境中运动行为的窗口，目前尚未有实验对其进行系统地研究。申请者尝试通过实验系统地研究自驱动的Janus微球在具有无规障碍物的平面上的运动行为，来阐释自驱动微球的运动行为与障碍物的种类，大小，密度间的关系。本项目将用半球镀铂的微米级胶体粒子作为Janus微球，加入双氧水使其成为自驱动体系，研究其在具有无规分布障碍物的基板上的单粒子运动行为；进一步研究障碍物对自驱动的Janus微球的集体运动行为的影响。该研究将推动人们对于自驱动粒子在有障碍环境中运动行为的理解和认识，为建立活性物质在真实环境中运动规律的理论框架提供实验上的支持。

本项目预解决的关键科学问题是自驱动的Janus胶体微球在具有无规障碍物的平面上的动力学是怎样的？.按照项目计划，进行了如下四部分研究：.一、系统地研究了半球镀铂的Janus微球在不同双氧水浓度的分散液中，在具有不同大小、不同间距的聚苯乙烯微球障碍物的平面上的平动及转动动力学。.主要结论：在双氧水浓度及障碍物大小相同的条件下，微球的平动动力学随着障碍物密度的增加而变慢；在双氧水浓度及障碍物密度相同的条件下，微球的平动动力学随着障碍物尺寸的增加而变快。.二、系统地研究了半球镀铂的Janus微球在不同浓度的双氧水分散液中，在具有不同大小、不同形状、材质的障碍物的平面上的受限运动行为。.主要结论:微球在具有微米级圆柱及微米级聚苯乙烯球的障碍物边界上的运动速率及在其边界的停留时间随着双氧水浓度的增大而增加、随着障碍物直径的增大而增加。在双氧水浓度相同的条件下，微球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度比在球形障碍物边界上小。.三、系统地研究了半球镀铂的Janus微球在不同浓度的双氧水分散液中，受限于不同大小、不同形状、材质的障碍物边界时的取向行为。.主要结论:自驱动的Janus微球在障碍物边界上运动时，能够保持其与障碍物的相对取向角恒定，大于等于90°。相对取向角的大小与Janus粒子的表面性质有关。.四、系统地研究了自驱动Janus微球在不同大小、不同形状、材质的障碍物中的协同运动行为。.主要结论:自驱动的Janus微球在具有较小尺寸的障碍物的表面上易形成维数较大的动态结晶，在具有较大尺寸的障碍物的表面上易形成一维链状组装体。.本项目通过实验，揭示了在有障碍物存在的情况下，平面上自驱动的Janus微球的部分单粒子运动规律及协同运动的规律。为探索活性物质在复杂环境中的运动规律提供实验上的支持。