Autoforesis de una partícula de Janus cerca de una pared plana: un límite de lubricación

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

February 28, 2026

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

cs.AI

Resumen

Estudiamos la autodifusioforesis de una partícula esférica químicamente activa cerca de una pared plana e impermeable, centrándonos en la influencia de la orientación de la partícula en la propulsión. Analizamos una partícula Janus con actividad química superficial asimétrica, que consiste en una pequeña región inerte dentro de un casquete catalíticamente activo. Si bien se han utilizado simulaciones numéricas para estudiar dichas partículas, estas encuentran dificultades para resolver el flujo y el transporte en el régimen de extrema proximidad a la pared debido al confinamiento geométrico y a los pronunciados gradientes de concentración de soluto. Abordamos esta limitación mediante un análisis asintótico en el límite de contacto cercano, donde el espacio entre la partícula y la pared es estrecho. En particular, consideramos el límite distinguido en el que el tamaño de la región inerte es asintóticamente comparable al de la región de lubricación. Analizamos una configuración axisimétrica en la que la cara inerte está orientada paralelamente a la pared y extendemos el análisis a orientaciones ligeramente inclinadas. Encontramos que el vuelco determina si una partícula inclinada rota de vuelta hacia el estado axisimétrico o continúa reorientándose, caracterizando así su estabilidad rotacional en el régimen de contacto cercano.

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.