Geometric tuning of self-propulsion for Janus catalytic particles
催化游泳者作为研究集体微观动力学和对物理化学信号的响应的生物系统的替代品引起了人们的广泛关注。然而，理解和预测它们各自推进力的最基本特征仍然面临着重大挑战。虽然化学不对称性被广泛认为是催化推进的基石，但不同的实验研究报告说，具有相同化学性质的颗粒可能会向相反的方向推进。在这里，我们表明，除了其化学性质，催化游泳者的详细形状在确定其运动方向中起着至关重要的作用，这表明经典理论框架与实验观察的兼容性。
2017-01-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
The stress tensor of dilute active colloidal suspensions
Center for Nonlinear Phenomena and Complex Systems, Université Libre de Bruxelles (U.L.B.)（非线性现象与复杂系统中心，布鲁塞尔自由大学）
研究稀释活性胶体悬浮液的应力张量，结合自扩散菲克效应和化学反应，推导出有效粘度公式及两个新贡献。
2025-03-14 cond-mat.soft
Influence of Bubble Lifetime on the Drying of Catalytically Active Sessile Droplets
Raman Research Institute（拉曼研究所）
研究催化活性Janus液滴在过氧化氢存在下的干燥动力学，探讨气泡诱导的马朗尼流对干燥形态的影响，揭示催化活性对粒子运输的调控作用。
2026-04-09 cond-mat.soft
Dynamics of Janus motors with microscopically reversible kinetics
具有化学活性和非活性半球的Janus马达只能在非平衡条件下工作，其中细致平衡被建立非平衡状态的化学物质通量打破。本文建立了一个微观模型，描述了Janus电动机表面上的可逆反应碰撞，并证明了该模型满足细致平衡。该模型被用来研究Janus粒子反应动力学系统在平衡的广义化学速率定律，包括时间依赖性的速率系数与幂律行为被证明是描述反应速率。在保持Janus催化半球上的可逆反应的同时，控制化学亲和力的化学物质的通量将系统驱动到非平衡稳态。自推进Janus电机在这个非平衡稳态的统计特性进行了研究，并与波动热力学理论的预测进行了比较。该模型具有实用性超出了这里提出的例子，因为它允许一个探索的各个方面的非平衡波动系统中的自扩散电泳电机从微观的角度来看。
2018-03-13 cond-mat.soft
Guiding catalytically active particles with chemically patterned surfaces
悬浮在溶液中的催化活性Janus颗粒沿着其表面以及沿着任何附近的容器壁在溶液的化学组成中产生梯度。前者导致自泳，而后者引起化学渗透，为自我运动提供额外的贡献。化学渗透强烈地依赖于扩散的化学物质和壁之间的分子相互作用。我们分析表明，使用一个近似的“点粒子”的方法，通过化学图案化的平面基板可以直接运动的Janus粒子：诱导的化学渗透流可以导致粒子要么“码头”在两种材料之间的化学步骤，或遵循化学条纹。这些理论预测证实了充分的数值计算。一般来说，停靠发生在倾向于远离其催化帽的颗粒上，而条纹跟随发生在相反的情况下。我们的分析揭示了控制这种行为的物理机制。
2016-09-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Microscopic and continuum descriptions of Janus motor fluid flow fields
主动介质，其组成部分能够自主移动，显示出不同于平衡系统的新特征。除了天然存在的活性系统，如游泳细菌种群，合成自推进纳米马达的活性系统已经开发出来。这些合成系统是有趣的，因为它们在各种领域的潜在应用。Janus粒子是球形几何形状的合成发动机，其中一个半球催化燃料转化为产物，另一个半球不催化，可以通过自扩散电泳在溶液中推动自己。在这种机制中，由不对称催化活性产生的浓度梯度导致马达上的力，该力引起周围介质中的流体流动。这些流体流动的详细研究，通过微观模拟的Janus电机运动和连续理论。结果表明，连续介质理论是能够捕捉到许多，但不是所有的Janus电机的动力学和流体的速度场的功能。
2016-11-11 cond-mat.soft
Chemistry in Motion: Tiny Synthetic Motors
在这个帐户中，我们描述了如何通过自我扩散电泳操作的合成马达利用自生的浓度梯度来驱动马达运动。自扩散电泳推进的描述提出的Janus粒子电机包括催化和非催化面。化学动力发动机的动力学特性的说明，提出了基于粒子的模拟结果的球二聚体马达从连接的催化和noncatalytic领域。具有不对称催化活性的Janus和球形二聚体马达的几何形状支持马达周围形成浓度梯度。由于定向运动只能发生在系统不平衡时，环境的性质和它在电机动力学中所起的作用进行了描述。旋转布朗运动也起到限制定向运动的作用，并且对于非常小的马达具有特别强的效果。我们解决以下问题：如何小电机可以仍然表现出的效果，由于推进，即使只是为了提高扩散？合成发动机有可能改变化学动力学过程的方式，用于广泛的应用。
2014-11-03 cond-mat.soft
A microscopic model for chemically-powered Janus motors
利用化学反应在溶液中推动自身的非常小的合成马达有望在新材料、科学和医学的开发中获得新的应用。这种潜在的应用前景，以及事实上，许多电机或有源元件的系统显示有趣的合作现象的根本利益，合成电机的研究已经成为一个活跃的研究领域。Janus马达，包括催化和非催化半球，在这些系统的实验和理论研究中占有重要地位。虽然Janus粒子系统的连续模型经常被用来描述电动机动力学，但能够解释分子间相互作用、多体浓度梯度、流体流动和热波动的微观模型提供了一种探索这些复杂的非平衡系统的动力学行为的方法，而不依赖于连续理论中经常进行的近似。从第一原理的微观模型的分析提供了一个基础，从该范围的有效性和局限性的近似理论的动力学可以进行评估。在本文中，Janus电机，电机与环境的相互作用只发生通过硬碰撞的扩散电泳推进的微观模型的构建，分析和理论预测相比。单电机和多电机系统的微观仿真进行说明的结果。
2016-05-16 cond-mat.soft
Influence of PEG on the Clustering of Active Janus Colloids
响应于局部环境线索以确定性方式推进的微米级胶体颗粒是自然界中发现的自推进实体的有用类似物。天然和合成的活性胶体系统通常都位于边界附近或拥挤的环境中。在这里，我们描述了实验中，我们测量过氧化氢浓度和分散的聚乙二醇（PEG）的5微米催化活性Janus颗粒在低浓度下的聚集行为的影响。我们发现，集群发生在合奏的活性Janus颗粒的增长与过氧化氢浓度在PEG的情况下的程度。一旦加入PEG，在低PEG体积分数下聚簇略有增强，但在较高PEG体积分数下聚簇减少。在较高的PEG体积分数下，聚类得到缓解的区域对应于先前发现推进被淬灭的区域。基于补充代理的模拟表明，集群增长与名义速度。这些数据支持了这样的假设，即随着推进速度的增加，活晶体的生长得到增强，但是添加PEG将倾向于减轻团簇形成，这是在这些条件下猝灭推进的结果。
2021-01-15 cond-mat.soft
Experimental Observation of Flow Fields Around Active Janus Spheres
采用粒子跟踪测速技术研究了催化活性胶体在自由游动状态和受外力作用保持静止状态下的流体动力学流场。我们的测量结果提供了有关在附近的胶体表面的流体速度的信息，并确认了最近提出的推进机制。除了提供一个统一的理解的非平衡界面输运过程的利害关系，我们的研究结果开辟了一条道路，彻底描述这种活性粒子之间的流体动力学相互作用，并了解他们的集体动力学。
2019-06-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Self-diffusiophoresis of Janus particles that release ions
催化Janus泳者通过自发产生浓度梯度和电势来展示扩散泳运动。最近的工作集中在简化的情况下，如释放的离子或离子的低表面通量，与有限的理论指导。在这里，我们考虑实验相关的情况下，释放两种类型的离子的粒子，并获得一个简单的表达式的粒子速度在薄的静电扩散层的限制。我们的近似表达式是非常准确的，即使当离子通量和表面电位是大的，并允许一个解释一些有趣的现象，如在粒子运动的方向上的反向响应于盐浓度的变化或自扩散电泳的不带电粒子。
2022-03-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The motion of catalytically active colloids approaching a surface
本研究利用声学镊子将催化活性 Janus 球体从壁面举起，分析其在体相及近壁的运动，发现速度随盐浓度降低主要源于自身推进减弱，并揭示了壁面与颗粒自推进速度间的耦合。
2024-11-18 cond-mat.soft
Thermodynamic Approach to the Self-Diffusiophoresis of Colloidal Janus Particles
大多数现有的理论预测的胶体颗粒的自扩散泳运动的基础上的流体动力学薄边界层近似结合溶剂体力由于自生局部溶质梯度。该梯度通过指定边界条件来实施，通常不考虑维持梯度的热力学成本。在这里，我们提出了一种替代的热力学方法，利用动力学和熵产生之间的直接联系：当地的细致平衡条件。我们研究两种情况：第一，我们重新审视自推进在分层二元溶剂。在方差与滑移速度，我们发现，推进是由于在垂直于粒子表面的两极的力量。第二，对于通过释放化学自由能驱动的催化游泳者，我们恢复了以前的表达式。在这两种情况下，我们认为，推进是由于不对称的耗散，而不仅仅是由于不对称的浓度的分子溶质。
2019-04-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nonreciprocal collective dynamics in a mixture of phoretic Janus colloids
研究具有不同催化涂层和趋化迁移率的Janus胶体二元混合物，通过粗粒化耦合密度与极化场揭示多种非互易集体不稳定性，并实现Nonreciprocal Cahn-Hilliard模型的微观机制。
2024-02-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Self-propulsion of a catalytically active particle near a planar wall: from reflection to sliding and hovering
响应于自生化学梯度而在溶液中移动的纳米尺寸的颗粒用作研究活性物质的模型系统。它们深远的潜在应用将要求粒子以强大的方式感知和响应其局部环境。自生的流体动力学和化学场引起粒子运动，探测并被包括封闭边界在内的环境所改变。以具有催化活性的Janus粒子为例，我们预测，在硬平面壁附近，这样的粒子表现出几种运动场景：从壁的反射，在稳态方向和壁以上的高度运动，或静止，稳定的“悬停”。关于稳定状态，高度和取向由催化剂覆盖的比例和溶质与颗粒不同“面”的相互作用决定。因此，我们建议，可以通过调整这些参数，通过明智的设计颗粒表面化学选择所需的行为。
2016-03-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Autophoresis of a Janus particle near a planar wall: a lubrication limit
Princeton University（普林斯顿大学）
研究接近平面壁的Janus粒子自扩散拜罗菲现象，分析粒子取向对推进的影响，通过渐近分析解决近壁极限下的流动和传输问题。
2026-08-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Chemotactic behavior for a self-phoretic Janus particle near a patch source of fuel
本文研究Janus粒子在燃料贴片源附近的趋化行为，揭示释放与消耗速率及泳动迁移率对运动的调控，并发现粒子可稳定悬停于贴片上方。
2024-06-15 cond-mat.soft physics.chem-ph
Characterization of active matter in dense suspensions with heterodyne laser Doppler velocimetry
我们提出了一种新的方法来表征活性物质在稀悬浮液中以及在拥挤的环境中的性质和性能。我们使用超外差激光多普勒测速仪（SH-LDV）来研究在紫外光照射下移动的催化活性Janus粒子的大集合。SH-LDV有助于无模型确定游泳速度和方向，具有出色的整体平均。此外，我们还获得了催化活性分布的信息。此外，SH-LDV操作远离墙壁，并允许一个容易的多次散射贡献的校正。因此，它允许研究游泳者的浓缩悬浮液或游泳者在被动颗粒拥挤的环境中主动推进的系统。我们展示了一些选定的例子的方法的多功能性和范围。我们预计，SH-LDV补充既定的方法，并铺平了道路，在以前无法访问的边界条件下的系统测量。
2020-05-28 cond-mat.soft
Interaction between catalytic micro motors
从球对称主动Janus粒子的微观模型出发，研究了两个主动马达之间的相互作用。环境流体介导两个马达之间的长距离流体动力学相互作用。这种相互作用有直接和间接的流体动力学贡献。直接贡献是由于源自移动马达的流体流的传播，并且影响另一马达的运动。间接的贡献出现在两个电机的存在下，从离子浓度的重新分布。从该离子溶液施加在流体上的电力增强了流动模式，并且随后改变了两个马达的运动。通过制定一个非常远的分离电机的摄动方法，我们得出的跨国和旋转动力学的电动机的解析结果。我们表明，在领导秩序的整体相互作用，修改的平移和旋转速度的电机规模为${\cal O}\left([1/D]^3\right)$和${\cal O}\left([1/D]^4\right)$与他们的分离，分别。我们的研究结果开辟了研究合成微电机的集体动力学的方式。
2015-10-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dilute suspensions of Janus rods: the role of bond and shape anisotropy
本研究利用Monte Carlo模拟考察尖端功能化Janus硬球柱体在低密度下的组装，揭示形状与键合各向异性及相互作用参数对胶束、囊泡和层状相等结构的调控作用。
2024-06-12 cond-mat.soft physics.comp-ph
Inverse Solidification Induced by Active Janus Particles
当热激发或晶格中缺陷的浓度足够高时，晶体熔化。熔化后，晶体的长程序消失了，固体变成了流体。与固体熔化的经典情况相反，在这里，我们证明了一个反直觉的行为，在最初的无序矩阵中出现结晶长程序。这种不寻常的固化表现在一个系统的被动胶体颗粒容纳化学活性缺陷-光催化Janus颗粒。当活性缺陷引起的波动量（有效温度的量度）达到临界值时，观察到的结晶发生。这种不寻常行为背后的驱动机制纯粹是内部的，类似于爆炸引起的固化。在这里，“内部微爆炸”的作用是由胶体基质中缺陷的光化学活性发挥的。缺陷诱导的固化发生在非平衡条件下：只要在活性Janus粒子缺陷的表面处的催化光化学反应以离子流的形式提供恒定的能量供应，所产生的固体就存在。我们的发现对于理解远离热力学平衡的极端条件下物质的相变是有用的。
2020-10-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Bubble-Driven Flow Transitions in Evaporating Active Droplets on Structured Surfaces
Raman Research Institute（拉曼研究所）
本研究探讨了在结构化表面上蒸发活性液滴时，气泡驱动流与基底地形对粒子沉积模式的影响。
2025-11-27 cond-mat.soft
Floor- or ceiling-sliding for chemically active, gyrotactic, sedimenting Janus particles
表面结合催化化学反应自推进化学活性Janus粒子。在边界附近，这些粒子表现出丰富的行为，如发生壁约束的稳定状态的“滑动”。大多数活性颗粒倾向于沉淀，因为它们与溶液的密度不匹配。此外，由惰性核心材料装饰有帽状催化剂薄层组成的Janus球体是回旋立构的（“底部重”）。水平壁附近滑动状态的发生取决于主动运动和重力驱动的沉积和排列之间的相互作用。因此，重要的是要了解和量化的影响，这些重力引起的影响模型化学活性粒子的行为移动附近的墙壁。对于模型回旋，自泳Janus粒子，在这里，我们研究理论上的滑动状态的发生在水平平面壁，要么低于（“地板”）或以上（“天花板”）的粒子。我们构建“状态图”，表征这种状态的发生作为沉降速度和颗粒的回旋响应的函数，以及颗粒的泳动性。我们表明，在某些情况下，滑动状态可能同时出现在天花板和地板，而较大的一部分的实验相关的参数空间对应的粒子，将表现出滑动状态，只有在地板上或天花板上，或者根本没有滑动状态。这些预测与以前的实验研究和我们的实验结果进行了严格的比较Pt涂层的聚苯乙烯和二氧化硅的核心颗粒悬浮在过氧化氢水溶液中。
2020-01-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Non-Gaussian behaviour of a self-propelled particle on a substrate
通过解析求解朗之万方程，研究了自走质点在投影内力作用下的过阻尼布朗运动。所研究的“活性”粒子被限制在沿着线性通道移动。其内力的方向在垂直于衬底的平面内的单位圆上定向扩散。附加的时间相关扭矩作用于内力方向。该模型是相关的活性粒子，如催化驱动的Janus粒子和细菌在基板上移动。分析结果的前四个时间相关的位移力矩，并分析了几种特殊情况。对于消失的扭矩，有一个显着的动力学非高斯行为在有限的时间t的信号在粒子位移的非零归一化峰度接近零长时间与1/t长时间的尾巴。
2009-06-18 cond-mat.soft
Dependence of Phoretic Propulsion of Sub-Micron Urease Motors on the Fraction of the Particle Covered by Catalyst
微/纳米马达是能够在流体系统中运动的微至纳米尺寸的颗粒和系统。它们的运动可能是许多机制的结果，其中最著名的一种是电解质扩散电泳，其中带电离子在颗粒表面的不对称产生导致电泳。这项工作的重点是构建尿素酶马达，仔细控制其Janus平衡，即，以控制被酶覆盖的表面的百分比，并研究这种不对称性对颗粒推进速度的影响。在这方面，我们成功地构建了具有不同涂层百分比的颗粒。观察结果表明，当涂层百分比接近50%时，颗粒的推进速度稳定增加。在达到一定的酶活性阈值和百分比覆盖率后，在较低的催化帽高度下，这种趋势可能会逆转。然而，所使用的方法在构造具有较低催化帽高度的发动机方面具有局限性。我们的目标是阐明高效的尿素酶驱动的泳动马达的设计原理，这可能对下一代纳米级器件的发展产生重大影响。
2023-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active particle in a very thin interfacial droplet
该研究通过实验和模型揭示了极薄液滴中光驱动Janus粒子的周期性圆周运动源于自推进与液滴厚度变化的耦合，并由毛细力和力矩主导其轨迹。
2025-09-26 cond-mat.soft
Surface Excess Energy Governs the Non-Monotonic Behavior of Active Diffusivity with Activity
本研究揭示界面反应产生的表面过剩能量和界面应力可增强催化Janus粒子的扩散，解释了活性扩散率的非单调行为，并为调控合成活性物质迁移率提供设计原则。
2025-10-06 cond-mat.soft physics.chem-ph
Minimal numerical ingredients describe chemical microswimmers's 3D motion
本研究提出一个粗粒化耗散粒子-流体动力学模型，通过水动力相互作用、重力及质量与形状不对称的竞争平衡，成功重现化学微型游泳者的复杂3D运动，为合成可控微型游泳者提供通用框架。
2023-07-30 cond-mat.soft
Phoretic self-propulsion: a mesoscopic description of reaction dynamics that powers motion
合成自推进粒子的制造及其动力学的实验研究激发了人们对推动纳米和微米尺度物体的自生电泳效应的兴趣。这些现象的理论建模往往是基于不同的电泳推进机制，包括自电泳，自扩散电泳和自热泳的溶剂的连续描述。本文中的工作考虑了在电机表面和体相流体中的各种类型的催化化学反应，这些反应在介观动力学描述中发挥作用。该配方是说明通过发展的介观反应动力学的放热和解离反应，用于动力马达运动。这些机制的复合Janus粒子的自推进动力学的模拟结果。
2012-09-27 cond-mat.soft physics.chem-ph
Cross-stream migration of active particles
对于自然的微型游泳者，游泳活动和外部流动的相互作用可以促进稳健的运动，例如逆着（“上游趋流性”）或垂直于流动方向的推进。这些效应通常归因于它们复杂的体型和鞭毛跳动模式。在这里，使用催化Janus粒子作为模型实验系统，我们报告一个强大的方向性反应，发生在通道流中的球形活性粒子。粒子排列它们的推进轴，使其几乎垂直于流动方向和附近边界表面的法向量。我们开发了一个确定性的理论模型的球形microswimmer附近的平面壁，捕捉实验观察。我们展示了如何出现的剪切流和近水面游泳活动的相互作用的方向性反应。最后，加入热噪声的影响，我们得到的概率分布的游泳者取向，半定量地同意与实验分布。
2018-01-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Brownian motion of a self-propelled particle
通过解析求解朗之万方程，研究了自推进粒子的过阻尼布朗运动。在平移和旋转扩散的顶部，在所提出的模型的上下文中，“活性”粒子沿着其内部取向轴被驱动。我们计算的前四个时刻的概率分布函数的位移作为时间的函数的球形粒子各向同性平移扩散以及各向异性椭球粒子。在这两种情况下，平移和旋转运动要么是无限制的，要么是限制在一维或二维。有限时间t处的显著非高斯行为由非零峰度表示。为了界定超扩散制度，这发生在中间的时间，两个时间尺度被确定。对于某些模型情况，可以观察到均方位移的特征t^3行为。将真实的和人造的微泳者（如细菌或催化驱动的Janus粒子）的动力学与我们的分析表达式进行比较，可以揭示它们的运动是否是布朗运动。
2010-05-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
