טכניקת מאקרוסקופית אנלוגי לימוד תהליכי Hydrodynamic מולקולרית צפופה גזים ונוזלים
Summary
שיטה אנלוגי השפעול נגיש עבור לימוד תהליכי hydrodynamic מולקולרית צפופה נוזלים מוצג. הטכניקה משתמשת חלקיקים velocimetry תמונה של ערימות התבואה זז, גבוהה-פיצוי ומאפשר תצפית ישירה, מאקרוסקופית של תהליכים דינמיות ידוע והוא ניבא קיימת אינטראקציה חזקה, גבוהה צפיפות גזים ונוזלים.
Abstract
מתוארת שיטה אנלוגיות, מאקרוסקופית לימוד תהליכי hydrodynamic בקנה מידה מולקולרי צפופה גזים ונוזלים. הטכניקה חלה של תקן נוזל דינמי אבחון, חלקיק תמונה velocimetry (PIV), כדי למדוד: i) במהירויות של חלקיקים בודדים (גרגרים), העומד על תבואה-התנגשות קצרה, פרקי זמן, ii) המהירויות של מערכות של חלקיקים, על שניהם קצרים התנגשות-זמן – ו זמן, רצף-זרימה-זמן-מאזניים, השלישי) קולקטיבית מצבי hydrodynamic ידועים להתקיים ב נוזלים מולקולרית צפופה, ו- iv) פונקציות autocorrelation מהירות קצר, ארוך-זמן-סרגל, מרכזי להבנת הדינמיקה של חלקיקים בקנה מידה של מערכות נוזלים שמעצבת חריפה, צפופה. מערכת בסיסית מורכבת מערכת הדמיה, מקור האור, חיישנים הרטט, מערכת הרטט עם תוכנת מדיה, ו PIV וניתוח ידוע. מדידות ניסיוני נדרש וקו מיתאר של כלים תיאורטיים בעת שימוש בטכניקה אנלוגי ללמוד תהליכים hydrodynamic בקנה מידה מולקולרי מודגשים. הטכניקה המוצע מספק אלטרנטיבה פשוטה יחסית כדי פוטוני ושגרו ניוטרון שיטות פיזור משמשת גם מחקרים hydrodynamic מולקולרית.
Introduction
הידרודינמיקה מולקולרית מחקרים את הדינמיקה ואת המכניקה הסטטיסטית של מולקולות בודדות ואוספים של מולקולות בתוך נוזלים. בין הטכניקות ניסיוני רבות שפותחו עבור לימוד מערכות hydrodynamic מולקולרית1,2, פיזור אור1,2,3, סימולציות דינמי מולקולרית4, 5,6,7 , ובמידה פחותה יותר, פיזור וספקטרוסקופית8 היו הנפוץ ביותר בשימוש. למרבה הצער, מגבלות משמעותיות לצרף הטכניקות שני האחרון. סימולציות דינמיקה מולקולרית (MD), לדוגמה: i) הן מוגבלת קטן יכולות 
דומיינים המכילים מולקולות מעטים יחסית 
, ii) דורשים שימוש של פוטנציאל הבין-החלקיקים משוער, iii) בדרך כלל להציג תקופתי תנאי גבול, לא חוקי תחת תנאי זרימה ללא שיווי משקל בתפזורת, ו- iv) יכול, בזמן הנוכחי, לענות על השאלה הבסיסית של דינמיקה מולקולרית סרגל איך, מעורבים או מולקולות יחיד או אוספים של מולקולות, מושפעים, זוג בחזרה, בכמות גדולה, זרימת נוזלים ללא שיווי משקל. המגבלה העיקרית המשויך ניוטרון פיזור קשורה לרמת הקושי של גישה מספר מוגבל של נייטרונים קרן מקורות זמינים.
כדי לספק הקשר עבור השיטה הניסיונית אנלוגי שהוצגו במאמר זה, אנו מדגישים בטכניקות פיזור אור שהוחל נוזלים פשוט צפוף-גז, נוזל-המדינה. בניסוי טיפוסי פיזור אור, קרן אור מקוטב לייזר מכוונת לאמצעי חקירה קטנה המכילה את דגימת נוזל נייח. אור המתפזרת מולקולות בתוך המדגם הוא זוהה אז בזווית קבועה מסוימים ביחס קרן התקרית. בהתאם המשטר דינמי מולקולרית של עניין, זיהוי וניתוח של האות אור מפוזר משלבת קלות סינון או אור ערבוב שיטות איתור. כפי שתואר על ידי ברן ואסטוריה1, סינון טכניקות, אשר בדיקה במצב נוזל דינמיקה מולקולרית בזמן מאזני קצר יותר 
s, להציג של פוסט-פיזור interferometer או סריג עקיפה, ומאפשרים סריקה של צפיפות ספקטרלי האור מפוזר. אופטי ערבוב טכניקות, המשמש דינמיקה איטי-סרגל זמן, 
s, לעומת זאת, לשלב הפוסט-פיזור autocorrelator או ספקטרום מנתח, שבו התוכן ספקטרלי של האות פזורים מופק מן האור מפוזר נמדד העוצמה.
באופן כללי, לייזר probes, לפחות אלה הפועלים לטווח הגלוי של הקשת, יש הרבה יותר זמן מאשר המרווח האופייני בין מולקולות נוזל-המדינה אורכי גל. בנסיבות אלה, קרן בדיקה מלהיב חמש קולקטיבי, איטי-סרגל זמן, מצבי hydrodynamic ארוך באורך גל2,9,10 (איטי יחסית התדירות האופיינית התנגשות): שני viscously damped, נגד הפצת גלי קול שני מצבי ערבוליות חשיפות, המפזרת גרידא, מצב יחיד המפזרת תרמי (האנטרופיה). מצבי קול מתרגשים בכיוון (האורך) הקרן התקרית, ואילו מצבי טרנדו מתרגשים בכיוון רוחבי.
בהתחשב ניסיוני פיזור טכניקות, שתי שאלות עקרוניות, משקרת בלב שיווי משקל, ללא שיווי משקל המכניקה הסטטיסטית של מולקולרית, מערכות נוזלי-המדינה, נשארים מעבר אור ומדידות פיזור נייטרון:
1) ארגומנטים קפדני9,11 מראים כי יכול להיות להצביע מחדש את הדינמיקה התנגשות – ולא משנה-collision-סרגל זמן אקראית של מולקולות נוזל-המדינה בודדים, בכפוף דינמיקה ניוטונית מתוקנת קלאסית או דינמיקה קוונטית, ב טופס Langevin מוכללת משוואות (GLE). GLE, בתורו, מהווים כלי מרכזי התיאורטי במחקר של המכניקה הסטטיסטית ללא שיווי משקל של מולקולות בתוך צפופה גזים ונוזלים. למרבה הצער, שכן לא ניתן לפתור את הדינמיקה של מולקולות בודדות (לא macromolecular) או בטכניקת פיזור, אין כיום דרך ישירה, מעבר לסימולציות MD, לבחון את החוקיות של GLE.
2) השערה היסוד משקרת בלב של דינמיקה של נוזלים מאקרוסקופית הרצף, כמו גם הידרודינמיקה מולקולרית microscale, רוביצה זה על אורך – ופרקי זמן גדולים יחסית קטרים מולקולרית, התנגשות פעמים, אבל קטן יחסית הרצף ואת הזמן-פיסיקליות, שיווי משקל תרמודינמי המקומי (LTE) משתלטת. רצף זרימה וחום העברה דגמים, כמו משוואות נאוויה-סטוקס (NS), ההנחה ליקוויד טנשן אקספרימנט הוא נדרש9 כדי כמה מהותי ללא שיווי משקל, זרימה בקנה מידה הרצף ותכונות תחבורה אנרגיה – כמו מדגיש הטיה צמיגה, הולכה תרמית – אך ורק שיווי משקל תרמודינמי במאפיינים, כמו טמפרטורה, אנרגיה פנימית. באופן דומה, בעוד microscale תנע ואנרגיה התחבורה הינם תהליכים ממהותם ללא שיווי משקל, המשקף את המראה של מסה בשילוב, microscale, תנע, זרמי האנרגיה, דגמים של תהליכים אלה microscale מניח הזרמים מייצגים לפליטת קטן ליקוויד טנשן אקספרימנט9. שוב, לפי מיטב ידיעתנו, היו אין בדיקות ניסויית ישירה של ההנחה ליקוויד טנשן אקספרימנט. בפרט, נראה כי אין ניסויים פיזור hydrodynamic מולקולרית נוסו בתוך זרימת הנוזלים צפופה, לנוע, ללא שיווי משקל.
בנייר זה, אנחנו חלוקה לרמות טכניקה ניסיוני אנלוגי שבו החלקיקים מאקרוסקופית, יחיד ואת הדינמיקה הקולקטיבית של חלקיקים של ערימות התבואה זז, שנמדדו בשימוש רגיל של חלקיקים הדמיה Velocimetry (PIV), ניתן לחזות באופן עקיף, לפרש ולחשוף molecule יחיד מרובי הידרודינמיקה ב צפופה גזים ונוזלים. הרכיבים הפיזיים ותיאורטי המאפשרים את הטכניקה המוצע מתוארים במאמר האחרונות שפורסם על-ידי שלנו קבוצה12. השפעול, מערכת מאקרוסקופית חייב להפגין: (i) מתמשכת בנטייה מקומית, שיווי משקל מכני סטטיסטי macroscale ו (ii) קטן, ליניארי לטיסות שיווי משקל המחקים תנודות ללא שיווי משקל (חלש) נצפתה מערכות hydrodynamic מולקולרית. תיאורטית: מודלים microscale קלאסית (i) המתאר את שיווי המשקל ואת חלש-ללא שיווי משקל המכניקה הסטטיסטית של צפופה, מערכות N-חלקיקים שמעצבת חייב להיות עיצבתי בצורה macroscale, וחייב מודלים macroscale וכתוצאה מכך (ii) בצורה אמינה לחזות יחיד, מרובה-החלקיקים התת-דינמיקה, מ קצר, חלקיקים-התנגשות-זמן-ניתן להרחבה מדרגית עד זמן, רצף-זרימה–פרקי זמן.
כאן, אנו מציגים פרוטוקול נסיוני נתונים היסטוריים, כמו גם נציג התוצאות המתקבלות על-ידי טכניקה חדשה. בניגוד סימולציות MD ו אור ושיטות ניוטרון פיזור, טכניקה חדשה מאפשרת, בפעם הראשונה, מחקר מפורט של תהליכי hydrodynamic מולקולרית בתוך זורם, חריפה ללא שיווי משקל, צפיפות גבוהה גזים ונוזלים.
Protocol
Representative Results
Discussion
על מנת להשתמש ערימות התבואה זז כמו תחליפי מאקרוסקופית על חקירת התהליכים hydrodynamic מולקולרית, experimentalist חייב מצד אחד, ללמוד, ארבע מידות בסיסיות ושימוש מאידך, מאסטר כמה אלמנטים בסיסיים של שיווי משקל, מכניקה סטטיסטית ללא שיווי משקל. התמקדות לראשונה מדידות ניסיוני, אלה כוללים: i) מדידה של תבואה בוד?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו היה נתמך על ידי המשרד של חיל הים המחקר (הריסות N00014-15-1-0020) [Tkacik, Keanini] והופיע ב אוניברסיטת צפון קרוליינה במעבדה של מחקר מוטורי של שרלוט ליטוש מדיה נתרם על ידי רוסלר.
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 |
References
- Berne, B. J., Pecora, R. . Dynamic Light Scattering. , (1976).
- Boon, J. P., Yip, S. . Molecular Hydrodynamics. , (1980).
- Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles. J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).
- Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
- Evans, D. J., Morriss, G. P. . Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , (2007).
- Levesque, D., Verlet, L. Computer “experiments” on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
- Levesque, D., Ashurst, W. T. Long-time behavior of the velocity autocorrelation function for a fluid of soft repulsive particles. Phys. Rev. Lett. 33, 277-280 (1970).
- Lovesey, S. W., Lovesey, S. W., Springer, T. . Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. , (1977).
- Forster, D. . Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , (1990).
- Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
- Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
- Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658 (2017).
- Kushick, J., Berne, B. J. Role of attractive forces in self-diffusion in dense Lennard-Jones fluids. J. Chem. Phys. 59 (7), 3732-3736 (1973).
- Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
- Fleischhauer, E., Azimi, F., Tkacik, P. T., Keanini, R. G., Mullany, B. Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing. J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).
- Navare, J. . Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , (2017).
- Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421 (2012).
- Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193 (2016).
- Pathria, R. K., Beale, P. D. . Statistical mechanics. , (2011).
- Gibbs, J. W. . Elementary principles in statistical mechanics. , (1902).
- Toda, M., Kubo, R., Saito, N. . Statistical physics I. , (1992).
- Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
- Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. . Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , (1991).
