[논문 리뷰] Zeta potential dependent Self-electrophoresis of Pt-coated Janus particles in hydrogen peroxide solutions

Cheng‐Tse Wu, Yen-Wei Lin외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 13.

Micro and Nano Robotics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 펄스 코팅된 장우스 입자의 자가 추진 방향이 자기 전위에 의해 결정되며, 음성 자기 전위는 비촉매 측으로의 운동을 유도하고, 양성 자기 전위는 추진 방향을 촉매 측으로 뒤바꿈을 보여준다. 이러한 결과는 자가 생성된 전기장에 의해 작용하는 자가 전기역학 메커니즘을 지지하며, 표면 전하 조작 및 직접 운동 추적을 통한 실험적 확인이 이루어졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• Pt 코팅 장우스 입자가 과산화수소 용액에서 이중 방향 자가 추진을 일으키는 메커니즘을 규명하는 것.
• 자기 전위로 측정된 표면 전하의 역할이 입자 운동의 방향과 속도를 어떻게 제어하는지 조사하는 것.
• 자기 전기역학이 기포 추진 또는 자가 확산역학 모델보다 우세한 메커니즘인지 실험적으로 검증하는 것.
• 표면 수정 및 계면활성제 흡착을 통해 자기 전위와 자가 추진 거동 간의 직접 상관관계를 확립하는 것.

제안 방법

• DC 스퍼터 코ating을 이용해 2 µm 규모의 실리카 입자에 비대칭으로 Pt 코팅을 가하여 장우스 입자를 제조하는 것.
• ITO 코팅된 유리 플레이트와 CMOS 영상 기반 회절 고리 이동 측정을 이용한 고유 전기역학 장치를 활용해 개별 입자의 자기 전위를 측정하는 것.
• 고속 현미경(20 fps)과 입자 추적 알고리즘을 사용해 과산화수소 용액(2–30 wt%) 내에서 입자 운동을 추적하여 속도와 방향을 결정하는 것.
• APTES를 이용해 자기 전위를 음성에서 양성으로 뒤바꿈하는 표면 수정 및 CMC 농도를 변화시켜 표면 전하를 조절하는 계면활성제 흡착(DDAB, STAC, TWEEN 20, SDS)을 실시하는 것.
• 마이크로플루이딕 채널 내 외부 직류 전기장을 적용하여 입자 이중극자를 정렬하고 과산화수소 농도에 따른 각도 분포를 측정하는 것.
• 자기 전위 및 과산화수소 농도와 입자 운동 방향과 속도 간의 상관관계를 분석하여 주요 추진 메커니즘을 추론하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pt 코팅 장우스 입자의 과산화수소 용액 내 자가 추진 방향은 자기 전위에 따라 달라지는가?
• RQ2 화학적 수정(예: APTES)에 의한 표면 전하 반전이 입자 운동 방향을 뒤바꿀 수 있는가?
• RQ3 과산화수소 농도가 증가할수록 장우스 입자의 정렬 및 각도 분포에 어떤 영향을 미치며, 이는 기저 메커니즘에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ4 자기 전기역학이 기포 추진 또는 자가 확산역학 모델보다 우세한 추진 메커니즘인가?
• RQ5 측정된 자기 전위 및 과산화수소 농도를 바탕으로 개별 장우스 입자의 운동을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 음성 자기 전위를 가진 장우스 입자는 비촉매 측(Pl 없음)으로, 양성 자기 전위를 가진 입자는 촉매 측(Pl 코팅)으로 이동한다.
• APTES 표면 처리를 통한 자기 전위 반전이 성공적으로 자가 추진 방향을 뒤바꿈함으로써 자기 전위가 주요 결정 요소임을 확인하였다.
• 과산화수소 농도가 증가함에 따라 입자의 각도 분포가 더욱 극성화되며, 이는 자가 전기역학에 의해 생성된 자기 생성 이중극 모멘트가 강화됨을 시사한다.
• 입자 속도는 과산화수소 농도 증가에 따라 증가하며, 운동은 약 20초의 회전 확산 시간 스케일 내에서 이중 매개변수 피팅 모델로 가장 잘 기술된다.
• 외부 전기장 하에서 관측된 운동 방향 및 정렬은 비대칭 촉매 반응에 의해 생성된 자기 생성 전기장에 의해 작용하는 자가 전기역학 메커니즘을 강력히 지지한다.
• 이전에 추진이 항상 비촉매 측으로 향한다고 가정했던 것을 뒤집으며, 표면 전하 공학을 통해 마이크로 스위머의 기능을 제어할 수 있음을 시사한다.