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力学所在非常规形状微马达驱动机理研究中取得进展

作者:郑旭 2021-12-14 08:35 来源:
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    能够自主运动的微纳米机器在过去的10多年间得到了飞速的发展。而作为关键的动力部件,微纳马达(能够将周围环境中的能量转化为自身运动的活性微纳颗粒)的研究也逐渐深入。其中,微气泡驱动的微马达作为驱动效率最高的一种,其驱动的机理引起来广泛的研究兴趣。

  不同于以往研究局限于规则球型微马达,研究团队通过自研的微流控芯片技术制备了具有不同凹/凸曲面的碗状微马达。通过镀层位置控制微气泡分别生成于凹面或者凸面,可以相应的实现微马达朝凸面或凹面驱动。研究首先揭示了曲面曲率对微气泡成核及生长过程的影响,发现凹面抑制气泡形成导致较小的微气泡尺寸及较慢的气泡生长周期。进而通过引入Kelvin冲量来描述气泡溃灭形成的射流对微马达的驱动作用。由于射流对应的Re数可达到10,不能简单的基于低ReStokes流理论忽略微马达形状的影响。综合上述因素,发现并解释了从凸面生长气泡并朝凹面运动的微马达具有更高的速度。研究结果为通过形状调控微马达驱动机制及微气泡动力学行为提供了理论基础,并为微机器人应用中采用非常规形状微马达提供了新的思路。  

   该工作以“Distinct dynamics of self-propelled bowl-shaped micromotors caused by shape effect: Concave vs convex”为题发表于流体力学重要期刊Physics of Fluids (2021, 33: 122004)。论文第一作者为力学所博士研究生王铎,合作者包括郑旭副研究员(共同通讯作者)和关东石研究员。本文前期关于复杂形状微马达的微流控制备方法的结果也于今年早些时候发表于Acta Mechanica Sinica (Flow-pattern-altered syntheses of core-shell and hole-shell microparticles in an axisymmetric microfluidic device, 2021, doi:10.1007/s10409-021-01096-w)。 

  论文链接:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0076060 

   

  1 微流控制备方法 

   

     2 凹马达()和凸马达()的气泡溃灭射流流场显示 

   

  3 凹马达(左列)和凸马达(右列)相应的实验图像、驱动速度及气泡生长标度率 

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