Autoforesi di una particella di Janus vicino a una parete planare: un limite di lubrificazione

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

February 28, 2026

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

cs.AI

Abstract

Studiamo l'autodiffusioforesi di una particella sferica chimicamente attiva in prossimità di una parete planare e impermeabile, concentrandoci sull'influenza dell'orientamento della particella sulla propulsione. Analizziamo una particella di Janus con attività chimica superficiale asimmetrica, costituita da una piccola regione inerte all'interno di un cappuccio cataliticamente attivo. Sebbene le simulazioni numeriche siano state utilizzate per studiare tali particelle, esse incontrano difficoltà nel risolvere il flusso e il trasporto nel regime di estrema vicinanza alla parete a causa del confinamento geometrico e dei ripidi gradienti di concentrazione del soluto. Affrontiamo questa limitazione attraverso un'analisi asintotica nel limite di quasi-contatto, dove lo spazio tra la particella e la parete è molto ridotto. In particolare, consideriamo il limite distinto in cui la regione inerte ha una dimensione asintoticamente confrontabile con la regione di lubrificazione. Analizziamo una configurazione assialsimmetrica in cui la faccia inerte è orientata parallelamente alla parete ed estendiamo l'analisi a orientamenti leggermente inclinati. Troviamo che il ribaltamento determina se una particella inclinata ruota nuovamente verso lo stato assialsimmetrico o continua a riorientarsi, caratterizzando così la sua stabilità rotazionale nel regime di quasi-contatto.

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.