[論文レビュー] Induced-charge electrophoresis near an insulating wall

Mustafa Sabri Kilic, Martin Z. Bazant|ArXiv.org|Dec 4, 2007

Electrostatics and Colloid Interactions参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、低電圧・薄い二重層理論を用いて、絶縁壁に近接する可動性を持つ粒子の誘導電場電気泳動（ICEP）を調査している。対称的な金属球は、すべての周波数で壁から反発されるが、非対称な金属／絶縁体ジャヌス粒子は、非可動面が壁に向かってトルクによって傾くことにより、新しいICEP駆動の接近を経験し、中程度の交流周波数で表面に沿った定常的な滑り運動を示す。平衡時の傾き角は約45°であり、ICEPと誘電泳動（DEP）の力のバランスが成立する。

ABSTRACT

Induced-charge electrophoresis (ICEP) has mostly been analyzed for asymmetric particles in an infinite fluid, but channel walls in real systems further break symmetry and lead to dielectrophoresis (DEP) in local field gradients. Zhao and Bau (Langmuir, extbf{23}, 2007, pp 4053) recently predicted that a metal (ideally polarizable) cylinder is repelled from an insulating wall in a DC field. We revisit this problem with an AC field and show that attraction to the wall sets in at high frequency and leads to an equilibrium distance, where DEP balances ICEP, although, in three dimensions, a metal sphere is repelled from the wall at all frequencies. This conclusion, however, does not apply to asymmetric particles. Consistent with the recent experiments of Gangwal et al. (arXiv:0708.2417), we show that a metal/insulator Janus particle is always attracted to the wall in an AC field. The Janus particle tends to move toward its insulating end, perpendicular to the field, but ICEP torque rotates this end toward the wall. Under some conditions, the theory predicts steady translation along the wall with an equilibrium tilt angle, as seen in experiments, although more detailed modeling of the contact region of overlapping double layers is required.

研究の動機と目的

• 絶縁壁に近接する金属／絶縁体ジャヌス粒子について、理論的予測であるICEPの反発と実験的観察である接近の不一致を解明すること。
• 粒子の幾何的対称性の破れ（例：ジャヌス粒子）が、壁に近接する状況でのICEPおよび誘電泳動（DEP）に与える影響を調査すること。
• 壁に沿ったICEP駆動の滑り運動が発生する条件を特定すること、特に平衡時の傾き角と力のバランスを同定すること。
• 接触領域における二重層の重なりと表面力が、滑り運動の発生または抑制に果たす役割を評価すること。
• 従来のICEPモデル（無限の流体中における孤立粒子に限定）を、壁に起因する流体力学的および静電的力を含める形で拡張すること。

提案手法

• 低電圧・薄い二重層近似を用いて、絶縁壁に近接する可動性を持つ粒子の電気泳動流をモデル化する。
• 交流電場下での誘導表面極化に起因する電気的スライプ速度を導出するStokes方程式を適用する。
• 境界積分法を用いて、流体力学的力および力のモーメントを解き、ICEO流れの四極子と壁との相互作用を考慮する。
• ジャヌス粒子を半分が理想的に可動性（金属）で、残り半分が非可動性（絶縁体）であるとモデル化し、非対称な流れと力のモーメントの生成を可能にする。
• 特に壁に近接する領域で、ICEP（スライプ駆動）とDEP（電場勾配駆動）の力および力のモーメントのバランスを評価する。
• 交流周波数と粒子高さを変化させることで、反発から吸引への遷移を分析し、定常的滑り運動が成立する条件を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験では金属／絶縁体ジャヌス粒子が絶縁壁に接近するのに対し、理論的予測ではICEPによる反発が示されるのはなぜか？
• RQ2 ジャヌス粒子に作用するICEPの力のモーメントが、非可動面をどのように壁に向かって傾けるのか、その結果生じる平衡配置は何か？
• RQ3 どのような交流周波数および幾何的条件下で、ICEP駆動の壁に沿った滑り運動が発生するのか？また、その平衡時の傾き角はどのように決定されるか？
• RQ4 流体的結合および粘性ローリング力が、壁に近接する領域における回転運動に与える影響は何か、特に力のモーメントがゼロとなる場合に注目する。
• RQ5 接触点における二重層相互作用（反発的または引力的）が、滑り運動の発生または抑制に果たす役割は何か？

主な発見

• 対称的な金属球および円筒は、すべての周波数でICEO流れに起因し、壁から反発される。これは従来の直流電場下の予測と整合的である。
• 高周波数領域では、誘電泳動（DEP）がICEPの反発を上回り、吸引が生じ、円筒では平衡距離に達するが、球体ではそうならない。
• ジャヌス粒子は、非可動面が壁に向かって傾くICEPの力のモーメントにより、常に壁に引き寄せられ、滑り運動が可能になる。
• ICEPの力のモーメントは粒子を壁に向かって傾けるが、90°の傾き近辺で最大のモーメントを示す。しかし、粒子が壁に近づくと、約45°で符号が反転する。
• 中程度の周波数（例：ωτc = 10）では、力のモーメントがゼロになっても、水平方向のICEP力は依然として強く保たれ、壁に沿った持続的な滑り運動が可能になる。
• 低周波数での低傾き角・定常的滑り運動の実験的観察は、接触点における二重層の重なりおよび有効スライプのモデル化の改善が求められる。