Autoforese van een Janus-deeltje nabij een vlakke wand: een glijmiddellimiet

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

February 28, 2026

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

cs.AI

Samenvatting

Wij bestuderen de zelfdiffusioforese van een bolvormig, chemisch actief deeltje nabij een vlakke, ondoordringbare wand, met een focus op de invloed van de deeltjesoriëntatie op de voortstuwing. Wij analyseren een Janus-deeltje met asymmetrische chemische oppervlakteactiviteit, bestaande uit een klein inert gebied binnen een katalytisch actieve kap. Hoewel numerieke simulaties zijn gebruikt om dergelijke deeltjes te bestuderen, ondervinden deze moeilijkheden bij het oplossen van de stroming en het transport in het extreme nabij-veldregime als gevolg van geometrische beperkingen en steile gradiënten in de opgeloste stofconcentratie. Wij pakken deze beperking aan door middel van een asymptotische analyse in de limiet van nabij contact, waarbij de spleet tussen het deeltje en de wand smal is. In het bijzonder beschouwen wij de onderscheiden limiet waarin het inerte gebied asymptotisch vergelijkbaar is in grootte met het smeergebied. Wij analyseren een axiaal-symmetrische configuratie waarin het inerte gedeelte parallel aan de wand is georiënteerd en breiden de analyse uit naar licht gekantelde oriëntaties. Wij vinden dat de kanteling bepaalt of een gekanteld deeltje terugdraait naar de axiaal-symmetrische toestand of verder reoriënteert, waardoor de rotatiestabiliteit in het nabij-contactregime wordt gekarakteriseerd.

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.