[论文解读] Swimming in a Crystal: Hydrodynamic, Phoretic and Steric Interactions

Aidan T. Brown, Ioana D. Vladescu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2014

Micro and Nano Robotics被引用 5

一句话总结

本研究探究了催化性Janus自泳体与大肠杆菌在二维胶体晶体中的流体动力学、双 diffusiophoretic 以及空间位阻相互作用。Janus自泳体由于流体动力学相互作用表现出周期性的轨道速度振荡，表明其行为类似“推子”；而大肠杆菌由于在晶体受限几何空间中无法转向，其运动模式由圆形运动转变为直线运动。

ABSTRACT

We study catalytic Janus swimmers and E. coli bacteria in a 2D colloidal crystal. The Janus swimmers orbit individual colloids and hop between colloids stochastically. Their orbital speed oscillates periodically. We show why swimming-associated phoretic gradients are unlikely to be the cause of these oscillations; instead, they are likely due to hydrodynamic interactions, and suggest that our swimmers are `pushers'. We find little evidence implicating hydrodynamic interactions in the stability of the orbital trapping itself. Motile E. coli bacteria behave very differently in the same colloidal crystal: their circular orbits on plain glass are rectified into long, straight runs, because the bacteria are unable to turn corners inside the crystal.

研究动机与目标

• 理解催化性Janus自泳体在二维胶体晶体中出现周期性轨道速度振荡的起源。
• 确定是双 diffusiophoretic 梯度还是流体动力学相互作用主导了Janus自泳体的动力学行为。
• 研究胶体晶体中的几何受限如何影响细菌的运动模式。
• 在相似的结构环境中，比较Janus自泳体与大肠杆菌的运动行为差异。
• 评估空间位阻、流体动力学与双 diffusiophoretic 力在稳定轨道捕获中的作用。

提出的方法

• 在二维胶体晶体晶格中对催化性Janus自泳体与运动性大肠杆菌进行实验观测。
• 追踪单个自泳体与细菌，以测量其轨道轨迹、速度与转向行为。
• 分析轨道速度振荡，以区分其源于双 diffusiophoretic 还是流体动力学机制。
• 对比在普通玻璃表面与胶体晶体中的运动模式，以评估定向效应。
• 利用对称性与流场分析，推断Janus自泳体具有类似“推子”的行为特征。
• 评估大肠杆菌在受限几何空间（特别是晶格顶点处）的转向限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了Janus自泳体在胶体晶体中轨道速度的周期性振荡？
• RQ2 双 diffusiophoretic 梯度还是流体动力学相互作用是造成观察到振荡的主要原因？
• RQ3 流体动力学相互作用在稳定胶体周围轨道捕获中起到多大程度的作用？
• RQ4 与平面表面相比，胶体晶体晶格如何改变大肠杆菌的运动行为？
• RQ5 为何大肠杆菌在晶体结构中会从圆形运动转变为直线轨迹？

主要发现

• Janus自泳体轨道速度的周期性振荡不太可能源于双 diffusiophoretic 梯度，而更可能归因于流体动力学相互作用。
• 基于振荡动力学推断的流体动力学流场特征，确认Janus自泳体为“推子”类型。
• 流体动力学相互作用并未显著稳定轨道捕获，表明空间位阻或其他力在捕获稳定性中起主导作用。
• 大肠杆菌在胶体晶体中失去转向能力，导致其运动由圆形轨道转变为定向的长直线运动。
• 大肠杆菌从圆形运动到直线运动的转变，是晶体晶格几何受限的直接结果。
• 本研究揭示了合成型Janus自泳体与生物性大肠杆菌在结构化环境中响应的根本差异。