Автофорез частицы Януса вблизи плоской стенки: предел смазочного приближения

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

February 28, 2026

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

cs.AI

Аннотация

Мы исследуем самодиффузиофорез сферической химически активной частицы вблизи плоской непроницаемой стенки, уделяя основное внимание влиянию ориентации частицы на движение. Мы анализируем частицу Янус с асимметричной химической активностью поверхности, состоящую из небольшой инертной области внутри каталитически активного колпачка. Хотя для изучения таких частиц использовались численные модели, они сталкиваются с трудностями при разрешении течения и переноса в режиме экстремального приближения к стенке из-за геометрического ограничения и крутых градиентов концентрации растворенного вещества. Мы преодолеваем это ограничение с помощью асимптотического анализа в пределе ближнего контакта, где зазор между частицей и стенкой мал. В частности, мы рассматриваем выделенный предел, в котором размер инертной области асимптотически сравним с размером области смазочного слоя. Мы анализируем осесимметричную конфигурацию, в которой инертная грань ориентирована параллельно стенке, и распространяем анализ на слегка наклоненные ориентации. Мы обнаруживаем, что опрокидывание определяет, будет ли наклоненная частица поворачиваться обратно к осесимметричному состоянию или продолжит переориентацию, что характеризует её вращательную устойчивость в режиме ближнего контакта.

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.