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Orbits, Spirals, and Trapped States: Dynamics of a Phoretic Janus Particle in a Radial Concentration Gradient

杰纳斯 杰纳斯粒子 粒子(生态学) 微尺度化学 化学物理 工作(物理) 化学 物理 机械 分子物理学 经典力学 材料科学 纳米技术 热力学 地质学 数学教育 海洋学 数学
作者
Parvin Bayati,Stewart A. Mallory
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (34): 23047-23057 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c05076
摘要

A long-standing goal in colloidal active matter is to understand how gradients in fuel concentration influence the motion of phoretic Janus particles. Here, we present a theoretical description of the motion of a spherical phoretic Janus particle in the presence of a radial gradient of the chemical solute driving self-propulsion. Radial gradients are a geometry relevant to many scenarios in active matter systems and naturally arise due to the presence of a point source or sink of fuel. We derive an analytical solution for the Janus particle's velocity and quantify the influence of the radial concentration gradient on the particle's trajectory. Compared to a phoretic Janus particle in a linear gradient in fuel concentration, we uncover a much richer set of dynamic behaviors including circular orbits and trapped stationary states. We identify the ratio of the phoretic mobilities between the two domains of the Janus particle as a central quantity in tuning their dynamics. Our results provide a path for developing optimum protocols for tuning the dynamics of phoretic Janus particles and mixing fluid at the microscale. In addition, this work suggests a method for quantifying the surface properties of phoretic Janus particles, which have proven to be challenging to probe experimentally.

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