[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究表明，铂涂层Janus粒子在过氧化氢溶液中的自推进方向由其ζ电势决定，负ζ电势导致粒子向非催化侧运动，正ζ电势则使运动方向反转至催化侧。研究结果支持由自生电场驱动的自电泳机制，通过表面电荷调控和直接运动追踪实验得到证实。

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.

研究动机与目标

• 确定铂涂层Janus粒子在过氧化氢溶液中双向自推进的机制。
• 研究表面电荷（通过ζ电势量化）在控制粒子运动方向和速度中的作用。
• 通过实验验证，自电泳是否为自推进的主导机制，而非气泡推进或自扩散电泳。
• 通过表面修饰和表面活性剂吸附，建立ζ电势与自推进行为之间的直接关联。

提出的方法

• 通过直流磁控溅射在2 µm二氧化硅颗粒上制备非对称铂涂层，形成Janus粒子。
• 使用配备ITO导电玻璃板和CMOS成像的定制电泳装置测量单个粒子的ζ电势，通过衍射环位移分析。
• 利用高速显微镜（20 fps）和粒子追踪算法，在2–30 wt%的H2O2溶液中追踪粒子运动，测定速度和方向。
• 通过APTES表面修饰将ζ电势由负转正，并在不同临界胶束浓度（CMC）下吸附表面活性剂（DDAB、STAC、TWEEN 20、SDS）以调节表面电荷。
• 在微流控通道中施加外部直流电场，使粒子偶极子对齐，并测量其角度分布随H2O2浓度的变化。
• 通过ζ电势和H2O2浓度与粒子运动方向和速度的相关性，推断主导推进机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 铂涂层Janus粒子在H2O2中的自推进方向是否取决于其ζ电势？
• RQ2 通过化学修饰（如APTES）实现表面电荷反转后，是否可使粒子运动方向发生反转？
• RQ3 随着H2O2浓度增加，Janus粒子的对齐性和角度分布如何变化？这对其潜在机制有何启示？
• RQ4 自电泳是否为自推进的主导机制，而非气泡推进或自扩散电泳？
• RQ5 能否基于测量得到的ζ电势和H2O2浓度，预测单个Janus粒子的运动？

主要发现

• ζ电势为负的Janus粒子向非催化侧（无铂侧）运动，而ζ电势为正的粒子则向催化侧（铂涂层侧）运动。
• 通过APTES表面处理使ζ电势反转，成功逆转了自推进方向，证实ζ电势是决定性因素。
• 随着H2O2浓度增加，粒子的角度分布更加极化，表明自生偶极矩增强，与自电泳机制一致。
• 粒子速度随H2O2浓度增加而提高，其运动行为在旋转扩散时间尺度（约20 s）内最符合双参数拟合模型。
• 在外部电场下观察到的运动方向和对齐行为强烈支持由铂表面不对称催化反应产生的自生电场驱动的自电泳机制。
• 研究结果挑战了以往认为运动始终朝向非催化侧的假设，表明可通过表面电荷工程调控微马达的功能。