空化气泡与悬浮微颗粒相互作用的实验研究

摘要

近年来，由于Janus颗粒结构新颖使其具备多种应用潜能，作为一个多学科交叉的新兴领域已经引起了极大的关注。Janus颗粒是指表面被两种不同性质材料覆盖的微纳米粒子，也称为“双面球”。利用Janus颗粒自身两面性质的差异可以在溶液中建立局部梯度场或产生微气泡进而引起Janus颗粒自驱运动。常见的Janus颗粒自驱动类型包括梯度场驱动和微气泡驱动，其中梯度场驱动又分为：自扩散泳驱动、自热泳驱动、自电泳驱动和自光泳驱动等。研究发现，通过改变颗粒形状或增大其尺寸，可以使气体分子聚集成核形成微气泡，进而驱动Janus颗粒运动。通常微气泡驱动具有更快的驱动速度和更高的应用价值，因此引起更广泛的关注。
　　本文首先介绍了相关研究背景，基于气泡高效驱动Janus颗粒运动的优势，制备出一种具有更高效驱动性能的气泡推进型Pt-SiO2中空Janus微球，相比于目前研究的准振荡模式的气泡驱动和管状微马达的气泡驱动，驱动效率明显提升。其次通过实验的方法对微气泡和中空Janus微球组成的空化气泡与悬浮微颗粒相互作用的系统进行研究。一方面，利用高速CCD摄影法拍摄了Pt-SiO2型中空Janus微球在低浓度2％～4%H2O2溶液中的微气泡推进运动。实验结果表明：在每个气泡生长-溃灭周期内，Janus微球的运动呈现三个特征阶段，分别为自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭，其中气泡溃灭阶段的平均速度比前两个阶段的平均速度高2～3个数量级；气泡生长阶段其半径与时间分别存在Rb～t2/3、Rb～t1/2和Rb～t1/3三种标度率；气泡在Janus微球催化剂表面（Pt侧）的生长点偏离对称轴位置，Janus微球的运动轨迹呈圆周形。另一方面，利用M icro-PIV技术对微气泡溃灭瞬间流体的速度场及流动形态进行可视化研究，并通过与实心Janus微球对比，研究界面对微气泡驱动的影响。实验结果表明：微气泡溃灭以后使周围流场形成非对称分布，进而产生强烈的微射流，其瞬时速度可达到0.1～1m/s量级，是提高自驱动速度的关键环节；界面会显著影响微气泡溃灭后的射流方向；中空Janus微球气泡溃灭产生的微射流，能够将空化气泡中储存的部分能量加以有效利用，实现高速自驱动。
　　综上所述，本课题组制备出一种具有高效驱动性能的Pt-SiO2型中空Janus微球，并以此为研究对象，通过实验的方法对空化气泡与悬浮微颗粒相互作用的系统进行研究，明确了微气泡推进中空Janus微球的运动特性，并揭示出将微气泡溃灭产生的微射流加以利用是实现Janus微球高效驱动的关键。鉴于此，以上结果不仅使得Janus微球的运动机理得以进一步完善，而且为实际应用中提高Janus微马达的运动速度和能量利用率提供了参考依据。

目录

声明

符号表

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3现有研究不足之处

1.4本文研究内容及设计思路

2实验装置与图像处理

2.1实验准备

2.2实验操作

2.3图像和数据处理

2.4本章小结

3气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验

3.1引言

3.2实验结果

3.3实验结论

3.4本章小结

4空化气泡与悬浮微颗粒相互作用的流场显示实验

4.1引言

4.2气泡溃灭流场显示

4 .3中空与实心Janus微球对比实验

4.4本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

在读期间取得的研究成果

参考文献