限域环境下胶体马达的动力学特性实验研究

Active colloids, such as microorganisms and micromachines, are commonly found at liquid-air or liquid-solid interfaces, or in narrow pores and channels. In such confined spaces, the strong coupling between various fields near the active colloids and the nearby boundaries can significantly alter their dynamics. Studies on confinement effect is therefore valuable in understanding mesoscale kinetics of soft matter, as well as the application of micromachines. In recent years, there have emerged a number of studies on the confinement effects on active colloids with synthetic colloidal motors as model systems. However systematic studies and appropriate methods are still lacking. In this proposal, we focus on the dynamics of colloidal motors in confined spaces. We systematically study the kinetic properties of two types of colloidal motors (propelled by chemical fields and AC electric fields) in infinitely large solutions, 2D boundaries and strongly confined spaces, by building experimental chambers of various structures and functions, and by exploiting ultrasound levitation techniques. In doing so, we expect to gain deep understanding of the coupling between various fields near colloidal motors and boundaries in different confinement, and to elucidate the effect of confinement on the dynamics of colloidal motors. Furthermore, we aim to further our understanding of active matter, and lay solid foundations for applications of micromachines.

微生物和微纳米机器这样的活性胶体往往处于气液、液固界面等二维边界，或狭窄的孔洞或通道中。在这样的限域环境里，活性胶体周围的电场、流体场、化学场等物理场与边界耦合，能够极大的改变其动力学特性。对限域效应的研究，对于掌握软物质介观动力学规律和微纳米机器的应用，都具有较大的学术价值。近两年来涌现出若干以人工合成的胶体马达作为模型体系开展的限域动力学实验研究，但缺乏系统性的研究思路和合适的研究方法。本项目围绕胶体马达在限域空间内的动力学特性这一科学问题展开，通过搭建结构、特性各异的实验腔，结合超声波悬浮技术，系统深入地对化学场和交流电场驱动的两类胶体马达在无限大溶液、二维边界、强限域空间中的动力学特征进行“纵横”结合的实验研究，以掌握在不同限域环境下马达周围的物理场分布及与边界的耦合规律，揭示限域空间对胶体马达动力学特性的影响规律，加深我们对活性物质的理解，也为微纳米机器的应用打下理论基础。

胶体马达是一种能够将外界能量转化为动能，在液体中自发运动的人工制备的胶体颗粒。对于胶体马达在边界、狭窄空间等限域环境动力学的研究，在基础和应用层面都有较大的研究价值，是近年来的热点研究方向。本项目围绕人工合成的胶体马达在限域空间内的动力学特性这一科学问题展开，通过合成不同类型的胶体颗粒，搭建结构、特性各异的实验腔，结合超声波悬浮技术，系统深入地对自电泳、交流电场驱动的两类胶体马达在无限大溶液、二维边界、强限域空间这三类限域环境下的动力学特征进行实验研究。..经过四年的研究，本项目很好的完成了预定目标。制备了球状、棒状的化学驱动、交流电驱动的胶体马达，搭建了超声悬浮装置、交流电场装置，并将两者结合，开发了复合场驱动胶体马达的装置。在此基础上，对不同种类的胶体马达在限域环境和体相溶液中的动力学特性进行了系统的实验研究和数值模拟。主要成果包括：揭示了化学驱动胶体马达由于基板渗出离子导致的减速效应；揭示了带电基板扭转化学驱动胶体马达的倾角从而导致的减速效应；发现了在液液界面处运动的化学马达异常的加速现象；发现了交流电场驱动的胶体马达在溶液体相内也可以在高频电场下反转运动；利用叉指电极界面处的电渗流效应，实现了对胶体马达的一维限域，揭示了其在电极端部的减速机制。此外，由项目的核心科学问题向外发散，在泳驱动胶体马达的制备、调控、机理阐明等方面，以及胶体颗粒在超声波-电、超声波-化学场复合场内的动力学等方面，取得了一系列有价值的成果。发表高水平论文28篇，编写专著4部，参加国内外学术会议、学习班并作报告13次，培养硕士生7人，博士生2人。..通过本项目研究，揭示了限域环境对胶体马达动力学影响的普适性规律，因而有力的推动了活性胶体领域的发展，也为微纳米机器的发展与应用中部分关键的科学问题提供了解决思路。