Autoforese de uma partícula de Janus próxima a uma parede plana: um limite de lubrificação

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

Resumo

Estudamos a autodifusioforese de uma partícula quimicamente ativa e esférica próxima a uma parede plana e impermeável, com foco na influência da orientação da partícula na propulsão. Analisamos uma partícula de Janus com atividade química superficial assimétrica, composta por uma pequena região inerte dentro de uma calota cataliticamente ativa. Embora simulações numéricas tenham sido utilizadas para estudar tais partículas, elas encontram dificuldades em resolver o escoamento e o transporte no regime de extrema proximidade da parede devido ao confinamento geométrico e aos gradientes íngremes de concentração de soluto. Abordamos essa limitação por meio de uma análise assintótica no limite de quase contacto, onde a folga entre a partícula e a parede é estreita. Em particular, consideramos o limite distinto no qual a região inerte é assintoticamente comparável em tamanho à região de lubrificação. Analisamos uma configuração axisimétrica na qual a face inerte está orientada paralelamente à parede e estendemos a análise para orientações ligeiramente inclinadas. Constatamos que o capsize determina se uma partícula inclinada gira de volta para o estado axisimétrico ou continua a reorientar-se, caracterizando assim a sua estabilidade rotacional no regime de quase contacto.

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.