[논문 리뷰] Relating microswimmer synthesis to rheotactic tunability

Quentin Brosseau, Florencio Balboa Usabiaga외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 11.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 60인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 Au/Pt 장성 마이크로스위머의 유동에 대한 반응성 행동(특히 유속에 반응해 상류로 수영하는 능력)이 합성 중 Au/Pt 길이 비율을 조절하여 조절 가능하다는 것을 보여준다. 실험과 시뮬레이션은 앞면 구동 방식의 풍자형 스위머가 벽에 대한 기울기 각도가 더 크기 때문에 가장 강력한 유동 반응성을 보이며, 이는 미세유체 스크린 기반 기하학적 분리에 기여한다.

ABSTRACT

We explore the behavior of micron-scale autophoretic Janus (Au/Pt) rods, having various Au/Pt length ratios, swimming near a wall in an imposed background flow. We find that their ability to robustly orient and move upstream, i.e. to rheotax, depends strongly on the Au/Pt ratio, which is easily tunable in synthesis. Numerical simulations of swimming rods actuated by a surface slip show a similar rheotactic tunability when varying the location of the surface slip versus surface drag. Slip location determines whether swimmers are Pushers (rear-actuated), Pullers (front-actuated), or in between. Our simulations and modeling show that Pullers rheotax most robustly due to their larger tilt angle to the wall, which makes them responsive to flow gradients. Thus, rheotactic response infers the nature of difficult to measure flow-fields of an active particle, establishes its dependence on swimmer type, and shows how Janus rods can be tuned for flow responsiveness. We demonstrate the effectiveness of a simple geometric sieve for rheotactic ability.

연구 동기 및 목표

• 마이크로스위머 합성( Au/Pt 비율)과 그 수압 구동 메커니즘 사이의 직접적인 연관성을 확립하기 위해.
• 스위머 유형(푸셔, 풍자형, 대칭형)이 벽 근처에서의 유동 반응성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 유동 반응성 조절 가능성을 기반으로 혼합된 마이크로스위머 집단을 분리하는 방법을 개발하기 위해.
• 표면 슬립 기반 스위머의 수치 시뮬레이션을 통해 실험 관측 결과를 검증하기 위해.
• 유동 반응성이 활성 입자 내에서 알려지지 않은 수압 흐름장을 추론하는 데 사용될 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 제어된 구동 위치를 갖기 위해 전기화학적 도금을 통해 다양한 Au/Pt 길이 비율(1:1, 3:1, 1:3)을 갖는 Au/Pt 장성 막대를 합성하였다.
• 제어된 비틀림 유량을 갖는 직사각형 PDMS 미세유체 채널에서 실험하여 상류 수영 속도를 측정하였다.
• 표면 슬립에 의해 구동되는 막대형 스위머의 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 슬립 위치를 변화시켜 푸셔, 대칭형, 풍자형 유형을 모의하였다.
• 벽과의 수압 상호작용을 모델링하기 위해 경계 적분 방법을 사용하였다.
• 유동 반응성의 차이를 이용하여 집단 분리를 위한 분리기능을 갖는 확산형 미세유체 채널(유동 반응성 스크린)을 설계하였다.
• 스크린 기하학에서 시간 적분 밀도 프로파일과 속도 부호 변화를 통해 스위머 행동을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장성 막대에서 Au/Pt 길이 비율이 벽에 둘러싸인 유동에서의 유동 반응성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 스위머 유형(푸셔, 풍자형, 대칭형)과 벽에 대한 기울기 각도 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 유동 반응성은 마이크로스위머의 수압 구동 메커니즘을 추론하는 데 사용될 수 있는 지표가 될 수 있는가?
• RQ4 유동 반응성 조절 가능성을 기반으로 한 미세유체 스크린이 혼합된 마이크로스위머 집단을 어느 정도 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ5 표면 슬립 기반 스위머의 수치 시뮬레이션 결과는 실험 관측 결과와 정량적으로 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 긴 Pt 끝을 가진 풍자형 스위머는 유사한 비틀림 속도에서 푸셔형 스위머보다 약 두 배 정도 높은 상류 수영 속도를 기록하며 가장 강력한 유동 반응성을 보였다.
• 스위머가 벽에 대해 보이는 기울기 각도가 유동 반응성 성공 여부를 결정하는 주요 요소이며, 풍자형 스위머가 가장 큰 기울기 각도를 보였다.
• 실험과 시뮬레이션은 정량적 일치를 보이며, 유동 반응성이 주로 표면 슬립 분포와 스위머 유형에 의해 결정됨을 확인하였다.
• 확산형 기하학을 갖는 미세유체 스크린은 스위머의 유동 반응성에 따라 효과적으로 분리가 가능하며, 순수한 속도 부호 변화가 발생하는 지점에서 밀도가 최대 집합을 보였다.
• 스크린 내 국소적 스위머 밀도 프로파일은 상류에서 하류로의 운동 전환 지점에서 명확한 농도 피크를 보이며 효과적인 분리를 나타냈다.
• 수치 모델링은 화학 기울기 없이도 수압 상호작용만으로도 충분한 기울기를 유도하여 유동 반응성을 가능하게 하며, 표면 슬립 모델의 타당성을 검증하였다.