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利用单粒子追踪和差示动态显微镜研究催化 Janus 粒子的时空动力学。

Probing the Spatiotemporal Dynamics of Catalytic Janus Particles with Single-Particle Tracking and Differential Dynamic Microscopy.

机构信息

Institut für Theoretische Physik, Universität Innsbruck, Technikerstraße 21A, A-6020 Innsbruck, Austria.

School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, James Clerk Maxwell Building, Peter Guthrie Tait Road, Edinburgh EH9 3FD, United Kingdom.

出版信息

Phys Rev Lett. 2018 Aug 17;121(7):078001. doi: 10.1103/PhysRevLett.121.078001.

DOI:10.1103/PhysRevLett.121.078001
PMID:30169062
Abstract

We demonstrate differential dynamic microscopy and particle tracking for the characterization of the spatiotemporal behavior of active Janus colloids in terms of the intermediate scattering function (ISF). We provide an analytical solution for the ISF of the paradigmatic active Brownian particle model and find striking agreement with experimental results from the smallest length scales, where translational diffusion and self-propulsion dominate, up to the largest ones, which probe effective diffusion due to rotational Brownian motion. At intermediate length scales, characteristic oscillations resolve the crossover between directed motion to orientational relaxation and allow us to discriminate active Brownian motion from other reorientation processes, e.g., run-and-tumble motion. A direct comparison to theoretical predictions reliably yields the rotational and translational diffusion coefficients of the particles, the mean and width of their speed distribution, and the temporal evolution of these parameters.

摘要

我们展示了微分动态显微镜和粒子跟踪技术,用于通过中间散射函数(ISF)来描述活性 Janus 胶体的时空行为。我们为范例性的活性布朗粒子模型的 ISF 提供了一个解析解,并在最小长度尺度上与实验结果找到了惊人的一致性,其中平移扩散和自推进占主导地位,直到最大长度尺度,这是由于旋转布朗运动而探测到的有效扩散。在中等长度尺度上,特征振荡解决了定向运动与方向弛豫之间的交叉,并使我们能够区分活性布朗运动与其他重定向过程,例如跑-停运动。与理论预测的直接比较可靠地给出了粒子的旋转和平移扩散系数、它们的速度分布的均值和宽度,以及这些参数的时间演化。

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