Вращающиеся стержнеобразные коллоиды во вращающемся электрическом поле

Изучение динамики анизотропных частиц представляют большой интерес: многие объекты в природе (такие как бактерии, живые клетки животных, человека, растений и т. д.) представляют собой анизотропные частицы, в частности, стержнеобразные частицы или частицы-«палочки». Исследование динамики анизотропных частиц во внешних электрических [1, 2] полях представляют интерес как для фундаментальных, так и для прикладных задач (коллоидная 3D-печать [3], биофабрикация [4] и тканевая инженерия [5]).

В настоящей работе показано, что вращающиеся электрические поля с регулируемым годографом позволяют управлять динамикой вращения стержнеобразных частиц в жидкости. С помощью экспериментов и предложенной теоретической модели было изучено движение стержнеобразных частиц кремнезема в деионизированной воде во вращающихся электрических полях с эллиптическим годографом.

Установка, показанная на рис. 1, позволяет генерировать эллиптическое электрическое поле, вращающееся с частотой 30 кГц. Поле создавалось путем подачи синусоидальных сигналов с различными амплитудами и фазовыми сдвигами на разные пары электродов.

 В качестве первого шага была проведена серия экспериментов без поля, чтобы измерить коэффициент вращательной диффузии в данной системе. Из линейного соответствия оценено значение , которое находится в хорошем согласии с теоретическим значением . Затем было включено изотропное вращающееся электрическое поле, которое заставило частицы вращаться. При наблюдении за средним углом поворота, была измерена зависимость частоты вращения частиц от квадрата величины напряжения на электродах (линейная зависимость , где ).

Уравнение для вращательной динамики анизотропных частиц может быть представлено в виде

                          (*)

где — частота вращения в изотропном поле; — параметр анизотропии годографа; — вращательная диффузия частицы; — случайный броуновский крутящий момент с нулевым средним.

На рис. 2 представлены результаты сопоставления экспериментальных и теоретических (полученных с помощью уравнения Фоккера — Планка) функций распределениями по углам ориентации частиц при разных значениях степени анизотропии внешнего поля. Наблюдается хорошее сходство результатов, что подтверждает применимость теоретической модели (*). Кроме того, можно обратить внимание, что в зависимости от степени анизотропии вращающегося электрического поля реализуются разные типы динамики: рис. 2, а — монотонное вращение при низкой анизотропии годографа поля — вращающиеся частицы; рис. 2, b — колебания вокруг определенного направления со спорадическими переворотами стержня при анизотропии промежуточных годографов — вращающиеся стержни с прыжковой динамикой; рис. 2, c — состояние с «захваченной» ориентацией частиц при сильной анизотропии вращающегося поля.

В настоящей работе систематически изучена динамика вращения коллоидных стержней во вращающемся электрическом поле с эллиптическим годографом. Эксперименты с кремнеземными стержнеобразными коллоидными частицами в деионизированной воде и теоретическое исследование надежно доказывают, что система может демонстрировать три режима вращательной динамики: (i) монотонное вращение при низкой анизотропии годографа поля — вращающиеся частицы, (ii) колебания вокруг определенного направления со спорадическими переворотами стержня при анизотропии промежуточных годографов — вращающиеся стержни с прыжковой динамикой и (iii) состояние с «захваченной» ориентацией частиц при сильной анизотропии вращающегося поля.