Janus微颗粒自扩散泳运动的LBM建模及机理研究

With an asymmetrical distribution of the catalytic surface, Janus micro-particle can transfer chemical energy to mechanical energy, in order to drive the movement itself. This artificial active material has important potential applications in the fields of the micro-energy systems, biological taxi of bacteria, wastewater treatment and water quality testing, etc. In the micro-scale, due to the superposition of the self-diffusiophoretic motion based on concentration gradient and Brownian motion, its motion is very complex and its kinetic mechanism is not perfect. The discrete micro-scale theory needs to introduce and carry on study in depth. Lattice Boltzmann Method (LBM) has been successfully applied in the fields of micro-scale flow, multi-component flow, particle flow. In view of this, the project intends to introduce this mesoscopic LBM simulation tools to create a feasible numerical model including diffusion force model with the multicomponent diffusion and reaction and non-isothermal Brownian motion model. The numerical simulation results from this kinetic model and the kinematics parameters from experimental observations are compared to verify its effectiveness. That is to build a reliable simulation platform for the study of Janus particle motion. On this basis, combined with the experiment, the research on the law of motion under the different factors and confined conditions. This work will promote research work on Janus micro-particle in related fields, expand the application areas of LBM model, provide a new research method in the micro-scale coupling chemistry and flow issues.

具有非对称分布催化表面的Janus微颗粒能够将化学能转化为机械能，驱动自身运动。这种人工活性材料在微能源系统、生物细菌趋向性、污水处理与水质检测等领域具有重要的潜在应用。微尺度下，基于浓度梯度的自扩散泳运动与布朗运动叠加，使其运动十分复杂，动力学机理尚不完善，需要引入离散微观尺度理论进行深入研究。格子Boltzmann方法(LBM)在微尺度、多组分、颗粒流领域已有成功应用。鉴于此，本项目拟引入LBM这一介观数值模拟工具，建立包含多组分扩散及反应的作用力模型和非等温布朗运动模型的完备数值模型，将该动力学模型的数值模拟结果与实验观测的运动学特性参数进行对比，验证其有效性，构建可靠的研究Janus颗粒运动的模拟平台。并在此基础上结合实验系统开展不同影响因素与受限条件下运动规律的研究，推进Janus微颗粒在相关领域的研究，拓展LBM模型的应用领域，为此类微尺度化学与流动耦合问题提供新的研究手段。

自驱动Janus颗粒是一种新型的人工活性材料，在微能源系统、靶向药物输运、污水处理与水质检测等多领域都具有重要的应用潜力。本项目针对扩散泳型Janus颗粒，在格子Boltzmann方法（LBM）基础上，通过改进现有涨落格子Boltzmann（FLB）方法和多组分及表面反应模型，提出了动量交换模型和渗透压模型两种扩散泳力计算方法，建立了可靠、有效的LBM数值模拟平台。在此基础上对Janus颗粒在自由空间中的运动机理进行深入研究，模拟分析了球形和非球形Janus颗粒的布朗运动与定向运动，总结其运动规律。并探索了近壁面运动及气泡推进型Janus颗粒的运动，为Janus颗粒的设计、制备和应用提供依据和支撑，为研究这一化学与流动耦合的特殊问题提供新手段。.Janus颗粒扩散泳力计算模型：基于LBM特有的流体固体颗粒间相互作用力的方法—动量交换法，我们提出了对于溶质粒子碰撞所形成的扩散泳力的计算方法。通过与实验数据对比，验证了扩散泳力模型的合理性。另外，我们用双分布函数模型结合渗透压模型提出了第二种计算扩散泳力的方法，通过与实验数据的对比确定了常修正系数。基于上述方法，研究了五种不同形状的Janus颗粒的自驱动，结果表明对于体积相同形状不同的Janus颗粒，扩散泳力、自驱动速度主要与轴线投影面积呈正相关。.Janus颗粒模拟结果的运动分析：基于FLB方法、动边界和网格加密技术，以及上述扩散泳力的计算模型，我们模拟分析了Janus颗粒微尺度运动特性。结果表明球形Janus颗粒在不同的时间尺度下有不同的运动特征：在小时间尺度下为布朗运动，较大时间尺度下为定向运动，这与实验观测结果一致，验证了其正确性。进一步，我们模拟分析了非球形颗粒的布朗运动特性，包括不同长宽比的椭球形和棒状颗粒，发现椭球形、棒状颗粒虽为各向异性，但仍遵守能量均分定理。最后，我们模拟分析了棒状自驱动Janus颗粒的运动特征，包括平动扩散系数、转动扩散系数、定向性等，得出不同时间尺度下不同长宽比棒状Janus颗粒的运动特征，为更复杂的Janus颗粒的设计和控制提供指导。