Marangonisurfare är små partiklar som driver själv medan de gränsar mellan ett vätske-vätskegränssnitt på ett sätt som liknar det där en surfare rör sig på ytan av en våg. Under de senaste åren har självgående partiklar har blivit i fokus för många fysikstudier, eftersom de kan fungera som en modell för att studera rörelsen hos aktiva bruna objekt med ett brett spektrum av hastigheter och interaktioner.

Forskare vid ETH Zürich, Heinrich-Heine University i Düsseldorf och University College London (UCL) har nyligen insett aktiva mikrometriska Marangoni-surfare genom att applicera laserljus på Janus-kolloider absorberade vid vatten-oljegränssnitt. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , bygger på flera tidigare studier som undersöker användningen av ljus för att styra rörelsen hos mikrosimmare.

"Detta arbete kom genom ett fortsatt försök att förverkliga mikrosimmare som är mer effektiva och som enkelt kan kontrolleras, "Lucio Isa och Nick Jaensson, två av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Våra resultat är baserade på en befintlig arbetsgrupp som handlar om att styra rörelsen för mikrosimmare med hjälp av ljus och egenskaperna hos mikrosimmare begränsade till vätskegränssnitt, vilket inkluderar några av våra tidigare arbeten. "

I en av deras tidigare studier, Isa och hans kollegor fann att begränsning av Janus-partiklar vid olje-vatten-gränssnitt tillät dessa partiklar att självdriva via självgenererade kemiska gradienter som utlöste katalytiska reaktioner. Denna effekt liknar den som ofta observeras i partiklar inuti bulksuspensioner.

Dessutom, forskarna observerade att dessa partiklar kunde interagera mycket starkt med varandra på grund av de frånstötande elektrostatiska krafterna som kännetecknar föremål som fastnar i gränssnitt. Medan denna observation öppnade spännande nya möjligheter för studier av starkt interagerande aktiva partiklar, katalytiska simmare är kända för att vara särskilt svåra att kontrollera med hjälp av yttre faktorer. Detta beror på att deras framdrivning beror på koncentrationen av kemiskt bränsle, vilket är svårt att dynamiskt reglera.

"Lösningen på detta problem kom genom att koppla generationen av asymmetriska temperaturgradienter genom ljusabsorberande Januspartiklar och den välkända idén att vid vätskegränssnitt, de genererar ytspänningsgradienter och, på motsvarande sätt Marangoni -flöden som kan utnyttjas för att driva partiklarna via rumsligt och tidsmässigt kontrollerad belysning, "Isa och Jaensson sa.

Marangoni-surfare är självgående partiklar, vilket innebär att de kan omvandla externa energikällor (t.ex. ljus) i riktad rörelse genom att skapa och upprätthålla en asymmetri i egenskaperna hos den omgivande miljön (t.ex. temperaturprofiler), i sin tur genererar ytspänningsprofiler. Namnet Marangoni är förknippat med ursprunget till denna självgående kvalitet, som medieras av ytspänningsgradienter och deras motsvarande vätskeflöden. Manifestationen av dessa vätskor flödar, som kan observeras i flera fysiska fenomen (t.ex. tårar av vin och framdrivning av kamferbåtar), är känd som Marangoni -effekten.

"Marangonisurfare är viktiga i fysiken eftersom de utgör ett nytt modellsystem för att studera den aktiva rörelsen hos självgående mikroskalaobjekt med ett enormt dynamiskt hastighetsintervall (upp till 10, 000 kroppslängder per sekund) och justerbara interaktioner, "Isa och Jaensson sa." De senare förmedlas av vätskegränssnittet, som också begränsar dem i ett tvådimensionellt plan utan närvaro av fasta gränser. Experimentellt att studera den aktiva partiklarnas kollektiva rörelse i avsaknad av aggregering har varit en utmaning för samhället och kommer att bana väg för att studera tvådimensionella material som kristaller och glasögon som enbart består av aktiva komponenter. "

För att förverkliga mikroskaliga Marangoni -surfare, Är en, Jaensson och deras kollegor använde en enkel metod som innebär att man täcker ett partikelmonoskikt (dvs. tätt packat lager av partiklar) med användning av en guldfilm via en teknik som kallas sputterbeläggning. Senare, de begränsade partiklarna vid ett olje-vatten-gränssnitt genom att avsätta en droppe av en vattenhaltig suspension med hjälp av en mikrospruta.

Till sist, forskarna belyste partiklarna med en grön laser. Ljuset från denna laser absorberades av partikelns guldkåpor, generera en asymmetrisk temperaturprofil.

"Den asymmetriska temperaturprofilen som genereras av adsorptionen av guldkåpan genererar en ytspänningsgradient som driver partiklarna via Marangoni -flöden, "Isa och Jaensson sa." I närvaro av ytaktiva arter, d.v.s. ytaktiva ämnen, partikelrörelsen är också kopplad till en koncentrationsgradient, som alstrar en andra ytspänningsprofil. Balansen mellan de två reglerar framdrivningen. "

Är en, Jaensson och deras kollegor är bland de första forskarna som demonstrerade aktiva partiklar med ett extremt stort antal möjliga framdrivningshastigheter genom att utnyttja Marangoni -flöden i mikroskala. Dessutom, framdrivningshastigheterna för partiklarna de skapade kan enkelt regleras genom att helt enkelt kontrollera ytaktantens koncentration och belysning.

"Partiklarna vi demonstrerade utgör ett nytt modellsystem som kan användas för att undersöka egenskaperna hos en ny klass av aktiva material, "Isa och Jaensson sa." Vi planerar nu att förlänga våra studier, där vi i huvudsak har fokuserat på att karakterisera enkelpartikelns framdrivningsbeteende och att belysa dess mikroskopiska ursprung, till fallet med samtidig kontroll av församlingar av Marangonisurfare för att förverkliga tvådimensionella aktiva material. "

© 2020 Science X Network