En Analog makroskopisk teknik til at studere molekylære hydrodynamiske processer i tætte gasser og væsker

Summary

Et eksperimentelt tilgængelige analoge metode til at studere molekylære hydrodynamiske processer i tætte væsker er præsenteret. Teknikken bruger partikel billede Velocimetri af vibrerede, høj-tilbagelevering korn bunker og giver mulighed for direkte, makroskopiske observationer af dynamiske processer kendt og forudsagt til at eksistere i stærkt interagerende, høj tæthed gasser og væsker.

Abstract

En analog, makroskopiske metode for at studere molekylære-skala hydrodynamiske processer i tætte gasser og væsker er beskrevet. Teknikken anvender et standard flydende dynamisk diagnostiske, partikel billede Velocimetri (PIV), til at måle: i) hastigheder af enkelte partikler (kerner), bevarede på kort, korn-kollision frister, ii) hastigheder systemer af partikler på begge kort kollision-tid- og lange, kontinuum-flow-tid-skalaer, iii) kollektiv hydrodynamiske tilstande vides at eksistere i tætte molekylære væsker, og iv) kort – og lang-tid-skala velocity autokorrelation funktioner, centrale at forstå partikel-skala dynamik i stærkt interagerende, tætte væske systemer. Det grundlæggende system består af et billedbehandlingssystem, lyskilde, vibrationelle sensorer, vibrationelle system med en kendt medier, og PIV og analyse software. Nødvendige eksperimentelle målinger og en skitse af de teoretiske værktøjer ved brug af den analoge teknik til at studere molekylære-skala hydrodynamiske processer er fremhævet. Den foreslåede teknik giver en relativt let alternativ til fotoniske og neutron stråle spredning metoderne traditionelt i molecular hydrodynamiske undersøgelser.

Introduction

Molekylær hydrodynamik undersøgelser dynamics og statistisk mekanik af individuelle molekyler og samlinger af molekyler i væsker. Blandt de mange eksperimentelle teknikker udviklet for at studere molekylære hydrodynamiske systemer^1,2, lysspredning^1,2,3, Molekylær dynamiske simuleringer^{4, 5,6,7} og i mindre grad, uelastisk neutron scattering⁸ har været mest almindeligt anvendte. Desværre, betydelige begrænsninger tillægger de sidstnævnte to teknikker. Molekylær dynamik (MD) simulationer, for eksempel: i) er begrænset til små rumlige og tidsmæssige domæner som indeholder forholdsvis få molekyler , ii) brug af omtrentlige Inter partikel potentialer, iii) typisk indføre periodisk randbetingelser, ugyldig under ikke-ligevægt bulk flow betingelser, og iv) kan på nuværende tidspunkt besvare det grundlæggende spørgsmål om hvordan Molekylær-skala dynamics, der involverer enten enkelt molekyler eller samlinger af molekyler, påvirkes af og par tilbage til, bulk, ikke-ligevægt væske flow. Den største begrænsning forbundet med neutron spredning er bundet til vanskeligheden ved at få adgang til det begrænsede antal neutron stråle kilder findes.

For at give sammenhæng til den analoge eksperimentel teknik præsenteret i denne artikel, fremhæve vi lysspredning teknikker anvendes på simple tætte-gas og væske-state væsker. I en typisk lysspredning eksperiment, er en polariseret lys laserstråle rettet mod en lille forhør diskenhed, der indeholder en stationær fluid prøve. Lys spredt fra molekyler i stikprøven er derefter fundet på nogle faste vinkel i forhold til det indfaldende strålebundt. Afhængigt af den molekylære dynamisk regime af interesse inkorporerer detektion og analyse af det spredte lys signal enten lys filtrering eller lys blanding metoder til påvisning. Som skitseret af Bern og Pecora¹, filtrering teknikker, som sonden flydende tilstand Molekylær dynamik på tid skalerer kortere end s, indføre en post spredning interferometer eller diffraktion rist, og giver mulighed for scanning af den spektrale tæthed af det spredte lys. Optisk blanding teknikker, der anvendes til slow-tidsskala dynamics, s, derimod optage en efter spredning autocorrelator eller spektrum analysator, hvor den spektrale indhold af spredte signalet er udvundet fra den målte spredt lys intensitet.

Generelt, laser sonder, i det mindste dem, der opererer i det synlige spektrum af spektrum, har bølgelængder meget længere end den karakteristiske afstanden mellem væske-stat molekyler. Under disse omstændigheder, sonde beam ophidser fem kollektive, langsom-tidsskala, long-wave-længde hydrodynamiske modus^2,9,10 (langsom i forhold til den karakteristiske kollision frekvens): to viscously dæmpet, mod formerings lydbølger, to afkoblede, rent diffuserende vorticity tilstande, og en enkelt diffuserende termisk (entropi) tilstand. De lydfunktioner er glade i (længderetning) af det indfaldende strålebundt, mens de vortical tilstande er glade i den tværgående retning.

I betragtning af rent eksperimentel spredning teknikker, to grundlæggende spørgsmål, liggende på hjertet af ligevægten og ikke-ligevægt statistisk mekanik af molekylære, forblive væske-statslige systemer, lys og neutron spredning målinger:
1) streng argumenter^9,11 viser, at enkelte væske-stat molekyler, enten klassiske newtonske dynamics eller quantum dynamics, tilfældige, kollision – og sub-collision-tidshorisont dynamik kan omarbejdes i den form af generaliseret Langevin ligninger (GLE). GLE, til gengæld omfatter en centrale teoretiske værktøj i studiet af den ikke-ligevægt statistisk mekanik af molekyler i tætte gasser og væsker. Desværre, da dynamikken i enkelte (ikke-makromolekylære) molekyler ikke kan løses ved enten spredning teknik, der er i øjeblikket ingen direkte måde, ud over MD simuleringer, at teste gyldigheden af GLE’S.
2) en grundlæggende hypotese liggende i hjertet af makroskopiske kontinuum fluid dynamik, postulerer samt individuel molekylære hydrodynamik, at på længde – og frister store i forhold til molekylære diametre og kollision gange, men små i forhold til kontinuum længde – og tidsplaner, hersker lokalt termodynamisk ligevægt (LTE). Kontinuum flow og varme overførsel modeller, ligesom Navier-Stokes (NS) ligninger, LTE antagelse er påkrævet⁹ for at par uløseligt ikke-ligevægt, kontinuum-skala flow og energi transport funktioner — indkvartering tyktflydende shear understreger og termisk overledning — strengt ligevægt termodynamiske egenskaber, som temperatur og indre energi. Ligeledes, mens mikroskala momentum og energi transport er uløseligt ikke-ligevægt processer, som afspejler udseendet af koblede, individuel masse, dynamik og energi strømme, modeller af processerne mikroskala antager at strømninger repræsentere små perturbationer fra LTE⁹. Igen, til bedste af vores viden, der har været nogen direkte eksperimentelle test af LTE antagelse. Det forekommer især, at ingen molekylære hydrodynamiske spredning eksperimenter har været forsøgt i tætte, bevægelige, ikke-ligevægt væske strømme.

I dette papir skitsere vi en analog eksperimentel teknik hvor makroskopiske, enkelt partikel og kollektive partikel dynamikken i vibrerede korn bunker, målt ved hjælp af standard partikel Imaging Velocimetri (PIV), kan bruges til at forudsige, indirekte, fortolke, og udsætte single og multi molecule hydrodynamik i tætte gasser og væsker. De fysiske og teoretiske elementer, der aktiverer den foreslåede teknik er angivet i et nyligt papir udgivet af vores gruppe¹². Eksperimentelt, makroskopiske systemet skal udstille: (i) en vedvarende tendens til lokale, overordnet statistisk mekaniske ligevægt og (ii) lille, lineære afgange fra ligevægt der efterligner (svage) ikke-ligevægt udsving observeret i Molekylær hydrodynamiske systemer. Teoretisk: (i) klassisk mikroskala modeller der beskriver ligevægt og svagt-ikke-ligevægt statistisk mekanik af tætte, interagerende N-partikel-systemer skal omarbejdes overordnet form, og (ii) de resulterende overordnet modeller skal pålideligt forudsige single – og multiple-partikel dynamics, fra korte, partikel-kollision-tid-skalaer til lange, kontinuum-flow-tid-skalaer.

Vi præsenterer her, en detaljeret forsøgsplan samt repræsentative resultater, der opnås ved den nye teknik. I modsætning til MD-simuleringer og lys og neutron scattering metoder tillader den nye teknik for første gang, detaljeret undersøgelse af molekylære hydrodynamiske processerne inden for flydende, stærkt ikke-ligevægt, tætte gasser og væsker.

Protocol

1. forberedelse af vibrerende System Oprettet den vibrerende system, som vist i figur 1. Dette system består af en ringformet polyurethan skål (med en ydre diameter på 600 mm), knyttet til en enkelt-trins (1740 rpm), ubalanceret motor, hvor sidstnævnte genererer proces vibrationer. Dette er knyttet til en vægtet base og adskilt af en gruppe af otte fjedre (skål og vejede base er købt samlet som ét stykke). Tillægger sin stand skål forsamling og sikkert med to med…

Representative Results

I præsentere repræsentative resultater, henviser vi til kontinuum-tidsskala processer som de observerede og forudsete over tidsplaner, der er længe i forhold til den karakteristiske korn kollision tidsskala, og partikel-tidsskala processer som de observerede og forud…

Discussion

Bruge vibrerede korn bunker som makroskopisk analoger for at undersøge molekylære hydrodynamiske processer, en experimentalist skal på den ene side, lære og bruge fire grundlæggende mål og på den anden side master nogle grundlæggende elementer af ligevægt og ikke-ligevægt statistisk mekanik. Fokuserer først på eksperimentelle målinger, disse omfatter: i) måling af enkelte korn dynamics gennem måling af enkelt-partikel velocity autokorrelation funktion, ii) måling af tid-gennemsnit/lang-tid-skala overflade…

Materials

Vibratory Polishing Bowl	Raytech	AV-75
Flow Meter	Peristaltic Pumps	913 Mity Flex
Scale	Pelouze	4040
Triaxial Accelerometer	PCB Piezotronics	PCB 356B11	Accelerometer with Sensor Signal Conditioner
Data Acquisition Computer	IBM	Thinkpad	Used with high speed camera
High Speed Camera	Redlake	Motionxtra HG-XR
Zoom Lens	Tamron	Model A18	18-250mm F/3.5-6.3
High intensity Light	ARRI	EB 400/575 D
Data Processing Computer	Dell	Dell Precision Tower 7910
PIV Software	Dantec Dynamics	Dynamic Studio 2013	version 3.41.38
Data Acquisition Hardware	National Instruments	SCXI	SCXI-1000 Chasis with SCXI 1100 Card and SCXI 1303 Adapter
Data Acquisition Software	National Instruments	LabVIEW 2012
Data Processing Software	MATHWORKS	MATLAB
Polishing Media	Rosler	RSG 10/10S	Multiple media types used (mixed, spherical, triangular)
Polishing Solution	Rosler	FC KFL (3%)	3% soap solution with water
Ruled Scale	Swiss Precision Instruments	13-911-3
Graduated Cylinder	Global Scientific	601082