Elastohydrodynamics of 3D chemically active filaments
本研究结合局部细长趋化理论与计算方法，探讨了弹性化学驱动趋化细丝的三维化学弹性流体动力学，发现随刚度降低，细丝会经历从平面屈曲到面外转变最终达到类扩散行为的丰富动力学。
2025-10-13 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydro-chemical interactions in dilute phoretic suspensions: from individual particle properties to collective organization
Janus泳动胶体（JPs）自推进作为自生的化学梯度的结果，并表现出自发的非平凡的动力学泳动悬浮液内，长度尺度远大于微观游泳者的大小。这种集体动力学产生于（i）粒子的自推进速度，（ii）粒子之间的吸引/排斥化学介导的相互作用和（iii）它们在周围介质中引入的流动扰动的竞争。这三种组分的含量直接取决于胶体表面的形状和物理化学性质。由于这种联系，我们适应最近流行的动力学模型的化学活性JP的稀释悬浮液中的颗粒的远场流体动力学和化学签名的内在联系，并明确确定的设计属性。使用线性稳定性分析，我们表明，自推进可以诱导波选择机制，某些粒子的配置与实验观察一致。对完整的动力学模型进行了数值模拟，分析了化学和流体动力学相互作用在非线性动力学中的相对重要性。我们的研究结果表明，在粒子密度的规则图案促进化学信号，但防止由极化粒子集体产生的强流体流动，无论其趋化或抗趋化性质（即拉和推游泳）。
2020-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Collective dynamics and rheology of confined phoretic suspensions
类似于它们的生物学对应物，化学活性自泳游泳者的悬浮液表现出非平凡的动力学，涉及自组织过程作为粒子间相互作用的结果。使用动力学模型的自趋化Janus颗粒的稀悬浮液，我们分析了这些集体行为和趋化聚集的有效粘度的活性流体的影响的一个封闭的压力驱动流的效果。四个动态制度时，确定增加的强度施加的压力驱动的流，每一个与不同的集体行为产生的竞争流和化学诱导的重新定向的游泳者一起限制。有趣的是，我们观察到，推动器的效果（分别为。拉料器）流体动力学特征，已知这会降低（相应地，增加）剪切悬浮液的有效粘度，在出现自趋化聚集时反转。我们的研究结果提供了新的见解集体动力学在复杂的环境中，这是相关的合成以及生物系统的作用。
2022-04-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phoretic and hydrodynamic interactions of weakly-confined autophoretic particles
受光粒子利用其表面自生的物理化学梯度进行自我推进。在悬浮液中，它们通过使周围的流体运动来进行流体动力学相互作用，并通过改变其邻居所看到的化学背景来进行化学作用。虽然大多数泳动系统由于浮力效应在密闭环境中发展，但大多数模型都专注于无界流中的相互作用。在这里，我们提出了第一个模型的相互作用的泳动粒子在Hele-Shaw限制，并表明，在这个限制，流体动力学和泳动相互作用不仅共享相同的缩放，但也有相同的形式，虽然在相反的方向。从本质上讲，我们表明，泳相互作用有效地扭转的相互作用，将获得纯粹的流体动力学相互作用的游泳运动员的迹象。然而，流体动力学相互作用不能被忽略，因为它们显著地影响相互作用的大小。然后，该模型用于分析悬架的行为。悬浮液表现出漩涡和集群集体模式决定的粒子之间的取向相互作用，类似于流体动力学游泳者，但在这里由泳动粒子的表面性质;反转的相互作用的迹象往往会减慢游泳运动的粒子。
2019-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phoretic interactions in two-medium wedge geometries
School of Mathematics and Statistics, The Open University（开放大学数学与统计学院）
本文针对双介质楔形几何中极限佩克莱数与雷诺数下的活性胶体扩散泳动，采用傅里叶-孔托罗维奇-列别杰夫变换得到精确解，揭示几何与界面性质对泳动的调控作用，为受限多相环境的泳动输运控制提供了框架。
2026-09-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrochemical interactions of phoretic particles: a regularized multipole framework
化学活性胶体改变其周围化学溶质的浓度，以便自推进。在这样做的过程中，它们会产生长距离的流体动力学流动和化学梯度，从而改变其他粒子的轨迹。因此，反应性悬浮液的动力学从根本上取决于水化学相互作用。一个完整的解决方案，详细的水化学问题与许多粒子是具有挑战性的和计算昂贵的。目前大多数方法依赖于拉普拉斯和斯托克斯算子的格林函数来近似远场中的粒子签名，这仅在简单几何中的非常稀的极限下有效。为了克服这些限制，我们提出了一个正规化的多极框架，直接受到力耦合方法（FCM）的启发，模型电泳悬浮液。我们的方法，称为扩散泳流式细胞仪（DFCM），依赖于基于网格的体积平均浓度场来计算颗粒表面浓度矩。这些时刻定义了扩散（拉普拉斯）问题的化学多极，并提供了斯托克斯方程的游泳强迫。与基于奇点叠加的远场模型不同，DFCM考虑了相互诱导的偶极子。方法的准确性进行评估对精确和精确的数值解的几个典型的情况下。我们还量化了它的改进远场近似的广泛的粒子间距离。由此产生的框架可以很容易地实施到有效的CFD求解器，允许大规模模拟半稀释扩散泳悬浮液。
2021-05-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Diffusiophoretic propulsion of an isotropic active colloidal particle near a finite-sized disk embedded in a planar fluid-fluid interface
空间对称性破缺是泳动活性粒子在低雷诺数下游动的必要条件。在微观尺度上游泳的基本先决条件是通过活性颗粒表面的化学图案化或替代地通过利用几何不对称性来诱导化学梯度并实现自推进来实现的。在本手稿中，采用远场分析模型来量化的领先秩序的贡献，诱导泳动速度的化学均匀的各向同性活性胶体附近的圆形形状的有限大小的磁盘上分离两个不混溶的粘性不可压缩的牛顿流体的界面上休息。为此，电泳问题的解决方案制定为一个混合边值问题，随后转化为一个系统的对偶积分方程的内部和外部域。取决于不同的参与粘度和溶质溶解度的比率，泳动性和化学活性的符号，以及颗粒-界面距离与盘的半径的比率，各向同性活性颗粒被发现从界面排斥，吸引到它，或达到稳定的悬停状态，并在界面附近保持不动。我们的研究结果可能被证明是有用的控制和引导运动的自推进泳动活性粒子附近的水界面。
2021-09-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Exact axisymmetric interaction of phoretically active Janus particles
研究了两个化学活性Janus粒子的轴对称相互作用。依靠场方程的线性和对称性参数，我们推导出粒子相对速度的一般解。我们表明，无论系统的化学性质，相对速度可以写为一个线性的几何函数的总和，只依赖于颗粒之间的间隙大小。我们通过一个精确的方法，占充分的化学和流体动力学的相互作用来评估这些功能。利用得到的解，我们揭示了每个隔间在相对运动中的作用，并讨论了不同相互作用的贡献。然后，我们表明，动力系统描述的相对运动的两个Janus粒子可以有多达三个不动点。这些不动点可以是稳定的，也可以是不稳定的，这表明两个Janus粒子的系统可以表现出各种各样的非平凡行为，这取决于它们的初始间隙大小和它们的化学性质。我们还研究了Janus粒子的具体情况，其中一个隔室是惰性的，并给出了它们在活动-迁移率参数空间中的相对行为的状态图。
2020-09-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Self-propulsion in 2D Confinement: Phoretic and Hydrodynamic Interactions
具有化学活性的Janus粒子沿其表面产生切向浓度梯度，用于自推进。虽然这是很好的研究在无界域，在生物相关的环境，如禁闭的分析是稀缺的。在这项工作中，我们研究了弱约束下的Janus球的运动。粒子被放置在任意位置，在两个壁之间具有任意方向。利用反射的方法，我们研究了限制平面边界上的电泳和流体动力学相互作用的效果，以及它们对Janus粒子动力学的后果。的动态轨迹进行了分析，使用相图不同的表面覆盖的活动和溶质-粒子相互作用。除了近壁状态，如“滑动”和“悬停”，我们表明，占两个平面边界揭示了两个新的状态：通道跨越振荡和阻尼振荡的中心线周围，其特征在于作为“散射”或“反射”的早期分析单壁相互作用。使用相图，我们突出了惰性面对和积极面对Janus粒子的差异。我们还比较了Janus粒子与蠕动体的动力学，以对比化学相互作用与流体动力学效应。从目前的工作中获得的见解表明，生物和人工游泳者通过长距离的相互作用来感知周围环境，这种相互作用可以通过改变表面特性来改变。
2021-07-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Shaping active matter from crystalline solids to active turbulence
本研究通过大规模智能体分辨模拟表明，仅调节湿式泳动介质活性即可连续控制固液气相变与层流—湍流转变，并统一解释化学活性系统的矛盾实验。
2024-03-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Phoretic swimming with bulk absorption
本研究探讨了存在体相溶质吸收的化学活性胶体自泳动问题，分析了两种参数关联情形下的速度渐近行为，验证了大达姆科勒数下的边界层理论，并指出边界过渡区输运与Sommerfeld边缘衍射问题相似。
2023-10-06 physics.flu-dyn
Self-propulsion of an elliptic phoretic disk emitting solute uniformly
本文通过数值模拟和线性稳定性分析，系统研究了均匀释放溶质的椭圆泳动盘在蠕流中的自推进行为，揭示了偏心率与佩克莱数共同调控的五种运动模式及其失稳机制。
2024-06-06 physics.flu-dyn
Axisymmetric spheroidal squirmers and self-diffusiophoretic particles
我们研究，通过一个精确的解析解，一个球形的，轴对称的蠕动在无界流体中的运动，以及与之相关的低雷诺数流体动力学流动。与由蠕动引起的流动相关的蠕动的速度和小应力的大小分别由前两个滑移（“蠕动”）模式的幅度确定-对于球形蠕动，每个蠕动模式或者对速度有贡献，或者对小应力有贡献。结果直接扩展到自泳的轴对称，球状，化学活性粒子的情况下，当泳滑近似举行。
2019-12-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Collision between chemically-driven self-propelled drops
本文用解析和数值方法研究了两个自推进液滴的迎面碰撞问题。每一滴都是由化学反应驱动的，化学反应产生或消耗浓度各向同性。浓度场的各向同性分布被液滴的运动破坏，液滴的运动本身是由浓度依赖的表面张力的Marangoni流产生的。这种打破束缚的自推进与其他自推进机制不同，这是由于内在的极性，如蠕动和自泳运动;有一个分叉点，在该点以下液滴是静止的，在该点以上它自发地移动。当两个液滴沿同一轴线运动时，液滴之间的相互作用既有流体力学的作用，也有浓度重叠的作用。我们发现，两滴表现出弹性碰撞或融合取决于从分歧点的距离控制，例如，由粘度。弹性碰撞是由化学反应的耗散和能量注入之间的平衡引起的。我们推导了两滴之间碰撞的简化方程，并分析了两种相互作用的贡献。浓度介导的相互作用被发现占主导地位的流体动力学相互作用。
2016-10-06 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Shape-dependent guidance of active Janus particles by chemically patterned surfaces
自泳Janus粒子通过诱导-通过在其表面上发生的非平衡化学反应-改变它们浸入其中的溶液的化学成分来移动。这个过程导致沿着颗粒表面的化学成分梯度，以及沿着任何附近的边界，包括固体壁。沿壁的化学梯度可引起化学渗透，即，梯度驱动表面流动，表面流动又驱动溶液体积中的流动。这种整体流动耦合回颗粒，从而有助于其自我运动。由于化学渗透强烈地依赖于扩散分子种类和壁之间的分子相互作用，由颗粒诱导和经历的响应流编码关于壁的任何化学图案化的信息。在这里，我们扩展了以前的研究在一个化学图案化的墙壁附近的球的自泳的情况下，细长形状的颗粒。我们集中我们的分析可能出现的新的现象学的耦合-这是一个球形的细长颗粒的化学渗透流的应变率张量。通过数值计算，我们表明，一个棒状粒子的动力学表现出一种新的“边跟踪”的稳态：粒子平移沿化学步骤的边缘在一个稳定的距离的步骤，并具有稳定的取向。在一定的系统参数范围内，边缘跟随状态与“停靠”状态共存（粒子在台阶处停止，定向为垂直于台阶边缘），即，一个不稳定的动态发生。这些研究结果是合理化的结果之间的竞争的流体涡度和应变率通过使用分析理论的基础上捕获准定量的动态系统的点粒子近似。
2017-11-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamic capture of microswimmers into sphere-bound orbits
自推进粒子可以表现出令人惊讶的非平衡行为，它们如何与障碍物或边界相互作用仍然是一个重要的开放问题。在这里，我们表明，化学推进的微棒可以被捕获，在他们的速度变化不大，到附近的固体球休息或附近的水平面上的关闭轨道。我们发现，这种相互作用之间的球体和颗粒是短程的，甚至发生在小于颗粒长度的球体，并为各种球体材料。我们考虑一个简单的模型，润滑理论的基础上，力和扭矩自由泳者驱动的表面滑移（泳推进机制）和移动附近的固体表面。该模型演示了捕获或朝向表面的移动，并产生与距离无关的速度。这项研究揭示了自推进粒子与被动物体的活动驱动相互作用的关键方面，并提出了使用胶体示踪剂作为活性物质探针的问题。
2013-09-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Steady state propulsion of isotropic active colloids along a wall
活性液滴发射/吸收化学溶质，其浓度梯度导致界面流驱动其自身的运输和液滴的推进。这种非线性耦合使得活性液滴能够实现定向自推进，尽管它们是各向同性的，如果对流扩散溶质传输的比率，即佩克莱数Pe，大于有限的临界阈值。在大多数实验情况下，主动液滴是非中性浮力的，因此沿着刚性表面游动;然而，它们的非线性运动的理论描述几乎完全集中在无界域上，以规避几何复杂性。为了克服这一认识上的差距，我们研究了各向同性泳动胶体沿刚性壁推进的自发出现和非线性饱和，它被恒定的外力（例如，重力）。这种泳动颗粒模型在这里被认为是一个粘性的活性液滴的限制情况。我们发现，对于温和的Pe，粒子运动和相关的化学运输减少了化学诱导的壁排斥，从而导致粒子游泳逐步接近壁作为Pe的增加。远离阻碍自推进，这种减少在颗粒壁分离是伴随着壁诱导的有效重排的溶质浓度梯度驱动的颗粒，从而增加其游泳速度。
2022-09-15 physics.flu-dyn
Clustering-induced self-propulsion of isotropic autophoretic particles
自扩散电泳颗粒利用溶质物质的局部浓度梯度，以便在微米尺度下自推进。虽然一个孤立的化学和几何各向同性的颗粒不能游泳，我们表明，它可以实现自我推进，通过与其他单独的非能动粒子的相互作用，通过形成几何各向异性集群通过泳动和流体动力学相互作用。这一结果确定了一个新的路线，以打破浓度场和自我推进，这不是基于各向异性的设计，但在集体动力学的相同和均匀的活性粒子。使用完整的数值模拟以及理论建模的聚类过程中，统计的推进性能得到任意初始排列的颗粒。这些结果的鲁棒性的热噪声，更一般的布朗运动的颗粒的效果，也进行了讨论。
2018-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
