Universität zu Köln

Alidadi Soleymani, Fatemeh (2019). Towards Simulations of Self-propelled Janus Particles in a Critical Binary Mixture. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Artificial microswimmers have recently received a lot of attention due to the large number of applications in the development of biomimetic materials, microfluidic devices, and micromachines. A promising strategy to build such synthetic swimmers is based on phoretic phenomena. Phoresis refers to a directed particle motion in the presence of an external gradient. Janus particles generate a stable local gradient by an asymmetric structure which results in a self-propelled phoretic motion. One of the interesting examples is a half-metal coated Janus particle in a critical binary mixture under laser irradiation. In the vicinity of the metallic cap, the temperature may be above the critical temperature and a droplet is formed at the Janus particle surface, such that propulsion is created. Although various theoretical studies have already investigated this system, simulations are still lacking. Providing a suitable simulation technique enables us to predict the behavior of more complicated cases which are not possible with theory e.g. a Janus particle in blood flow. Simulation of this system requires a technique which satisfies the three requisites at the same time: transport of mass and energy, phase separation and large size particles modeled during a large simulation time. A mesoscopic simulation technique that can achieve all these requirements is dissipative particle dynamics with energy conservation (DPDe). In this thesis, the DPDe technique is employed, and further developed to investigate this system. The starting point is the validation of the previously suggested DPDe. Although DPDe was designed to exactly conserve energy, significant drift of the total energy has been reported by using different algorithms. Here, an efficient integration scheme with velocity Verlet algorithm is used such that energy is conserved on the order of machine precision. Simulation results of mass and energy transport are verified by analytical approaches. Then, a partially heated Janus particle in a simple fluid is modeled as a thermophoretic particle. A pressure gradient, which is generated at the colloid poles as a consequence of temperature gradient, propels the particle. The direction of motion and its magnitude are determined mainly by the details of the interaction between fluid and colloid and, the Peclet number changes one order of magnitude. Interestingly, fluid properties such as viscosity,conductivity, etc. affect propulsive velocity but the related Peclet number does not change significantly. A proper method necessitates in order to model a binary mixture near the critical point which involves the wetting phenomenon in the presence of a solid surface (Janus particle). The conservative force used in the original DPD cannot fulfill this promise. Therefore, a short-range repulsive and long-range attractive interaction is employed for the conservative force which succeeds in matching the properties of real physical systems, such as correct phase behavior with respect to temperature, sufficiently large surface tension to form a stable droplet in a flow, and the inclusion of varying wetting properties. Using the improved DPDe method, a Janus particle immersed in a binary mixture is simulated, in which droplet size, wetting properties, and surface tension can be varied by the model parameters. The value of the resulting propulsive velocity is mainly determined by the size of the adhering droplet. In agreement with experiments, a colloid with a smaller droplet displays larger propulsion, and a Janus with a very large droplet shows eventually motion in the reverse direction, this is towards the hot cap. Although the number fraction of binary mixture and the magnitude of the temperature gradient are the main parameters to determine the droplet size, a smaller surface tension also results in a smaller droplet. Besides, the shape of the droplet is influenced by the contact angle and affects the propulsion strength.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Künstliche Mikroschwimmer haben aufgrund der großen Zahl an Anwendungen in der Entwicklung von biomimetischen Materialien, mikrofluidischen Geräten und anderen Mikromaschinen in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erfahren. Eine vielversprechende Möglichkeit, diese Schwimmer zu produzieren beruht auf phoretischen Phänomenen. Phoresis bezieht sich dabei auf eine gerichtete Bewegung von Partikeln in Gegenwart eines externen Gradienten. Janus-Partikel erzeugen durch eine asymmetrische Struktur auf ihrer Oberfläche einen stabilen und lokalen Gradienten, der zu einer selbst angetriebenen, phoretischen Bewegung führt. Ein interessantes Beispiel sind Janus-Partikel, die zur Hälfte mit Metall beschichtet sind, in einer kritischen binären Mischung, die durch Laser bestrahlt werden. In der Nähe der Metallkappe kann die Temperatur über der der kritischen Temperatur liegen, wodurch sich ein Tröpchen an der Oberfläche des Janus Teilchens bildet, das einen Antrieb erzeugt. Diese Art von Systemen wurden bereits in theoretischen Studien untersucht, es fehlen allerdings noch Simulationen. Um diese Systeme zu simulieren, muss die angewendete Technik drei Aspekte über einen langen Simulationszeitraum modellieren können: Massen- und Energietransport, Phasenseparation und die Simulation von großen Teilchen. Eine geeignete Technik ist die dissipative particle dynamics Methode mit Energieerhaltung (DPDe), welche in dieser Arbeit verwendet und weiterentwickelt wird. Zu Beginn wird die ursprüngliche DPDe verwendete Methode auf ihre Eigenschaften getestet, da in verschiedenen Arbeiten mit unterschiedlichen Algorithmen entgegen der Konzipierung ein signifikanter Drift der Gesamtenergie gezeigt wurde. Durch die Verwendung einer effizienten Integrationsroutine basierend auf dem Verlet Algorithmus kann die Energie bis auf Maschinengenauigkeit erhalten werden. Weiter werden die Simulationsergebnisse bezüglich Massen- und Energietransport mit analytischen Ergebnissen verglichen und bestätigt. Um ein thermophoretisches Teilchen zu modellieren, wird ein teilweise erhitztes Janus-Partikel in einer einfachen Flüssigkeit verwendet. Dieses wird durch einen Druckgradienten angetrieben, der durch den Temperaturgradienten an den Polen des Janus-Partikels erzeugt wird. Die Richtung der Bewegung sowie die Geschwindigkeit hängt dabei am meisten vonden Details der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Teichen ab. Die bewegung wird durch die Peclet-Zahl charakterisiert, welche sich um bis zu einer Größenordnung unterscheiden kann. Interessanterweise beeinflussen verschiedene Eigenschaften der Flüssigkeit wie die Viskosität oder die Leitfähigkeit die Antriebsgeschwindigkeit des Teilchen, ohne dabei wesentlich die Peclet-Zahl zu verändern. Um eine binäre Mischung in der Nähe des kritischen Punktes unter Berücksichtigung von Benetzungphänomenen an einer harten Oberfläche (Janus-Partikel) zu modellieren, wird eine angepasste Simulationsmethode benötigt, da die konservative Kraft der originalen DPD Methode nicht geeignet ist. Daher wird eine kurzreichweitige, abstoßende Kraft sowie eine langreichweitige, anziehende Kraft verwendet, die erfolgreich die Eigenschaften von physikalischen Systemen darstellen kann. Dies beinhaltet das korrekte Phasenverhalten bei verschiedenen Temperaturen, ausreichend große Oberflächenspannungen, um stabile antreibende Tröpfenchen auch im Fluss zu formen, sowie die Einbeziehung verschiedener Benetzungseigenschaften. Damit wird dann ein Janus-Partikel simuliert, das von einer binären Mischung umgeben ist. Hierbei wird die verbesserte DPDe Methode verwendet wobei Tröpfchengröße, die Benetzungseigenschaften sowie die Oberflächenspannung durch Simulationsparameter verändert werden können. Die resultierende, antreibende Geschwindigkeit wird dabei hauptsächlich durch die Tröpfchengröße beeinflusst, wobei Partikel mit einem kleineren Tröpfchen einen stärkeren Antrieb zeigen als gleiche Partikel mit größeren Tröpfchen. In Übereinstimmung mit Experimenten zeigen große Tröpfchen sogar einen Antrieb in die entgegengesetzte Richtung. Die entscheidenden Parameter für die Tröpfchengröße sind das Mischlungsverhältnis der binären Flüsigkeit sowie die Steigung des Temperaturgradienten, aber auch die Oberflächenspannung trägt bei. Neben der Größe beeinflusst auch die Form des Tröpfchens die Stärke des Antriebes, wobei die Form vom Kontaktwinkel zwischen Tröpfchen und Partikelabhängt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Alidadi Soleymani, Fatemeh alidadi.fatmeh@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-94174
Date:	20 March 2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Soft matter, Fluid dynamics, Mesoscopic simulations, Microswimmers, Janus particle, Thermophoresis, Binary mixture English
Date of oral exam:	21 February 2019
Referee:	Name Academic Title Gompper, Gerhard Prof. Dr. Schadschneider, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9417