跳到主要内容

话题

表面和界面

表面和界面

布朗博马曼兰在正确的方向上

24 Oct 2013 泰山委员会
布朗博马曼:路径后面是一把助推器在水中

一支国际研究人员团队发现,微小的Boomerang形胶体颗粒悬浮在流体中以特定方向移动,短时间内移动。团队’调查结果可能会增加我们对复杂生物分子的扩散的理解,并改善药物递送技术。

Brownian motion – 首先由艾伯特爱因斯坦解释 in 1905 –描述分散在流体中的微小颗粒的随机,不稳定的运动,共同称为胶体。它是由许多小的造成的“kicks”这是流体的热运动的结果,其中颗粒在具有相等概率的所有方向上被抬起。这适用于球形颗粒以及椭圆体–由于他们的整体对称性–并且颗粒不在任何特定方向上行进。因此,如果相同的粒子从多次从相同的开始点开始,则每次都会遵循完全不同的随机路径和所有这些路径的平均位移– the “mean displacement” –由爱因斯坦预测为零。这适用于球形和椭圆形颗粒。

特定路径

然而,现在, 齐惠伟乔纳森塞林格 俄亥俄州肯特州大学和同事们发现,显然是非球形的颗粒–如旋转镖形颗粒–至少最初显示出优选的运动方向。魏告诉 physicsworld.com. 他的小组在使用胶体系统作为模拟原子和分子系统的模型具有长期兴趣,因为可以使用光学显微镜观察它们的运动。群组’据说,对波摩恩形胶体颗粒的最初兴趣感到激烈“Boomerang形分子系统表现出的有趣液晶相”魏先生说。另外,Selinger和他的团队在 肯特州’S液晶研究所 一直在致力于旋转形状分子的液晶的理论描述,因此它是“他的团队和我的团队为这个项目的种类而自然。研究Booomerang粒子的布朗运动是我们长期目标的第一步”, says Wei.

Wei,Selinger和同事使用光刻法–一种使用紫外线在光致抗蚀剂材料上形成图案的方法–制作它们在顶点上的聚合物发球局。每个Boomerang Arm都是2.1 μm long and 0.51 μ将M厚,颗粒悬浮在水中并捕获在两个玻璃板之间,将它们的随机运动限制为2D。

然后,研究人员使用摄像机观察他们的布朗运动。“我们开发了一种高精度的图像处理算法,可以确定每个视频帧中粒子的位置和方向,”魏说。他解释说,他们为每种粒子分析了数千个框架,达到了150多个 单个旋转臂粒子的运动轨迹的视频。“从中,我们可以计算平均粒子位移和均方位移。因此,通过广泛的平均来获得实验结果,” explains Wei.

随机旋转

视频观察表明,对于第一分钟,每个旋转孔都在直线的方向上移动了它的臂–也就是说,它们的随机运动在每次几乎相同的方向上发生,因此它们具有非零平均位移。然后只有大约一分钟后的过渡到完全随机运动–粒子旋转约180的时间°据魏先生说。经过一分钟后,随机冲击旋转颗粒,它偏离其初始路径,其运动是完全随机的。

除了改善我们对粒子的复杂几何形状如何影响其布朗运动的理解之外,我们表示新发现将使我们能够更好地控制各种应用中使用的这种颗粒的运动。

Wei also points out 通过另一组完成的研究 今年早些时候,它表明,可以使具有类似于旋转孔的形状的自推进颗粒以在圆形轨迹中移动。“人们可以想象,通过使用不同的几何形状,可以设计更复杂的轨迹,并且有一天可以是有用的,例如,用于增加药物递送的效率,”他说。其他潜在的应用包括基于其不同的几何形状进行排序和分离颗粒或生物大分子的新方法。

该研究发表在 物理评论信.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者