黏性剪切流中手性粒子取向的不对称双稳态

螺旋粒子在黏性剪切流中的迁移在手性粒子分选中起着关键作用。在螺旋粒子上连接一个非手性头部会产生引起粒子重新取向的趋流扭矩。这一现象是诸如大肠杆菌等具鞭毛细菌在剪切流中所观察到的细菌趋流性的原因。本文采用高分辨率微打印技术制备具有可控且可调手性形状的微粒，其由球形头部和不同螺距与手性的螺旋尾部组成。通过在微流控通道流中观察这些微粒的完整时间分辨动力学，我们获得了关于手性诱导取向动力学的宝贵见解。我们的实验模型系统使我们能够考察粒子伸长、手性以及头重性在不同流速下对取向动力学的影响，同时将布朗噪声的影响降至最低。通过模型实验，我们证明了垂直于流动方向的粒子取向存在不对称双稳态。我们通过理论模型定量解释了粒子平衡取向随粒子性质、初始条件和流速的变化关系，以及重新取向动力学的时变特性。模型参数由边界元模拟确定，在与实验的对比中无需任何可调参数即获得极佳吻合。我们的发现增进了对手性粒子输运和细菌趋流性的理解，并可能有助于开发靶向递送应用。