[論文レビュー] Zeta potential dependent Self-electrophoresis of Pt-coated Janus particles in hydrogen peroxide solutions

Cheng‐Tse Wu, Yen-Wei Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2017

Micro and Nano Robotics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、過酸化水素溶液中におけるプラチナ被膜付きジャンウス粒子の自己駆動方向が、ゼータ電位によって制御されることを示している。負のゼータ電位では非触媒面に向かって運動し、正のゼータ電位では逆に触媒面に向かって運動する。これらの結果は、自己生成電場によって駆動される自己電気泳動メカニズムを支持しており、表面電荷の操作と直接的な運動追跡によって実験的に確認された。

ABSTRACT

We provide experimental results to show that self-propulsion of Janus particles made by coating platinum on the hemisphere of dielectric particles in hydrogen peroxide solution is similar to selfelectrophoresis. By different surface treatments and measuring the motion of particles and their ζ-potentials, we find that the speed and direction of motion are determined by the ζ-potential in a given concentration of hydrogen peroxide solution. When sign of ζ-potential is changed from negative to positive, the direction of motion reverses from toward non-catalytic side to catalytic side. We also find that the angular distribution of Janus particle is more polarized with increasing of the concentration of hydrogen peroxide, which support the self-electrophoresis mechanism.

研究の動機と目的

• プラチナ被膜付きジャンウス粒子が過酸化水素溶液中で双方向に自己駆動するメカニズムを特定すること。
• 表面電荷（ゼータ電位で測定）が粒子の運動方向と速度をどのように制御するかを調査すること。
• 自己電気泳動が、気泡駆動や自己拡散電気泳動よりも優勢なメカニズムであるかどうかを実験的に検証すること。
• 表面修飾と界面活性剤吸着を用いて、ゼータ電位と自己駆動行動の直接相関関係を確立すること。

提案手法

• 直流スパッタ堆積法を用いて、2 µmのシリカ粒子に非対称なプラチナ被膜を形成し、ジャンウス粒子を調製する。
• ITO被膜ガラス板を備えた自作電気泳動装置を用い、CMOS画像による回折リングのシフトを測定して個々の粒子のゼータ電位を測定する。
• 高速顕微鏡（20 fps）と粒子追跡アルゴリズムを用いて、H2O2溶液（2–30 wt%）中での粒子運動を追跡し、速度と方向を特定する。
• APTESを用いた表面修飾によりゼータ電位を負から正に反転させ、CMC（臨界ミセル濃度）を変化させた界面活性剤（DDAB、STAC、TWEEN 20、SDS）の吸着を用いて表面電荷を調整する。
• マイクロ流路内で外部の直流電場を印加し、粒子の双極子を整列させ、H2O2濃度の関数としての角度分布を測定する。
• 粒子の運動方向と速度をゼータ電位およびH2O2濃度と照合し、支配的駆動メカニズムを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラチナ被膜付きジャンウス粒子が過酸化水素中で自己駆動する方向は、そのゼータ電位に依存するか？
• RQ2 化学的修飾（例：APTES）による表面電荷の反転によって、粒子の運動方向が逆転するか？
• RQ3 H2O2濃度を高めると、ジャンウス粒子の整列状態および角度分布にどのような影響があり、これによりどのようなメカニズムの解釈が可能か？
• RQ4 自己電気泳動が、気泡駆動や自己拡散電気泳動よりも優勢な自己駆動メカニズムであるか？
• RQ5 測定されたゼータ電位とH2O2濃度に基づいて、個々のジャンウス粒子の運動を予測できるか？

主な発見

• ゼータ電位が負のジャンウス粒子は非触媒面（Pt非存在面）に向かって移動するが、正のゼータ電位の粒子は触媒面（Pt被膜面）に向かって移動する。
• APTESによる表面処理でゼータ電位を反転させることで、自己駆動の方向も逆転することを確認し、ゼータ電位が方向を決定づける主要要因であることを裏付けた。
• H2O2濃度が高くなるにつれて、粒子の角度分布がより偏りを示し、自己生成双極子モーメントが強まっていることから、自己電気泳動と整合的である。
• 粒子の速度はH2O2濃度に比例して増加し、回転拡散時間スケール（約20 s）内での二パrameterフィッティングモデルで最もよく記述される。
• 外部電場下での運動方向と整列状態の観察結果は、非対称なPt表面での触媒反応が自己生成電場を生じ、それが自己電気泳動を駆動していることを強く支持する。
• 従来の「運動は常に非触媒面に向かう」という仮定に反し、表面電荷の工学的制御がマイクロスイマーの機能制御に利用可能であることを示唆している。