Autophorese eines Janus-Partikels in der Nähe einer planaren Wand: Ein Grenzfall der Schmierung

Autophoresis of a Janus particle near a planar wall: a lubrication limit

February 28, 2026

Autoren: Tachin Ruangkriengsin, Günther Turk, Howard A. Stone

cs.AI

Zusammenfassung

Wir untersuchen die Selbstdiffusiophorese einer kugelförmigen, chemisch aktiven Partikel in der Nähe einer ebenen, undurchlässigen Wand, mit einem Fokus auf den Einfluss der Partikelorientierung auf den Antrieb. Wir analysieren eine Janus-Partikel mit asymmetrischer chemischer Oberflächenaktivität, die aus einer kleinen inerten Region innerhalb einer katalytisch aktiven Kappe besteht. Während numerische Simulationen zur Untersuchung solcher Partikel eingesetzt wurden, stoßen diese auf Schwierigkeiten bei der Auflösung von Strömung und Transport im extremen Nahwandbereich aufgrund geometrischer Beschränkung und steiler Gradienten der Solutkonzentration. Wir begegnen dieser Einschränkung durch eine asymptotische Analyse im Grenzfall des Nahkontakts, bei dem der Spalt zwischen Partikel und Wand schmal ist. Insbesondere betrachten wir den ausgezeichneten Grenzfall, in dem die inerte Region asymptotisch vergleichbar groß ist wie das Lubrikationsgebiet. Wir analysieren eine achsensymmetrische Konfiguration, bei der die inerte Seite parallel zur Wand orientiert ist, und erweitern die Analyse auf leicht geneigte Orientierungen. Wir stellen fest, dass das Kippverhalten bestimmt, ob eine geneigte Partikel zur achsensymmetrischen Lage zurückrotiert oder sich weiter umorientiert, und charakterisieren so ihre Rotationsstabilität im Nahkontaktbereich.

English

We study the self-diffusiophoresis of a spherical chemically active particle near a planar, impermeable wall, with a focus on the influence of particle orientation on propulsion. We analyze a Janus particle with asymmetric surface chemical activity, consisting of a small inert region within a catalytically active cap. While numerical simulations have been used to study such particles, they encounter difficulties resolving the flow and transport in the extreme near-wall regime due to geometric confinement and steep solute concentration gradients. We address this limitation through an asymptotic analysis in the near-contact limit, where the gap between the particle and the wall is narrow. In particular, we consider the distinguished limit in which the inert region is asymptotically comparable in size to the lubrication region. We analyze an axisymmetric configuration in which the inert face is oriented parallel to the wall and extend the analysis to slightly tilted orientations. We find that the capsize determines whether a tilted particle rotates back toward the axisymmetric state or continues to reorient, thereby characterizing its rotational stability in the near-contact regime.