घने गैसों और तरल पदार्थ में आणविक Hydrodynamic प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए एक एनालॉग Macroscopic तकनीक
Summary
सघन तरल पदार्थों में आणविक hydrodynamic प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए एक प्रायोगिक सुलभ अनुरूप पद्धति प्रस्तुत की गई है. तकनीक हिल, उच्च प्रतिस्थापन अनाज बवासीर के कण छवि velocimetry का उपयोग करता है और प्रत्यक्ष, गतिशील प्रक्रियाओं के macroscopic अवलोकन जाना जाता है और दृढ़ता से बातचीत, उच्च घनत्व गैसों और तरल पदार्थ में मौजूद होने की भविष्यवाणी की अनुमति देता है ।
Abstract
सघन गैसों और तरल पदार्थों में आणविक पैमाने पर hydrodynamic प्रक्रियाओं के अध्ययन के लिए एक एनालॉग, macroscopic विधि बताई गई है. तकनीक एक मानक द्रव गतिशील नैदानिक, कण छवि velocimetry (PIV), को मापने के लिए लागू होता है: i) व्यक्तिगत कणों के वेग (अनाज), कम पर वद्यमान, अनाज-टक्कर समय तराजू, द्वितीय) कणों की प्रणालियों के वेग, दोनों पर लघु टकराव के समय और लंबी, सातत्य-प्रवाह-समय-तराजू, iii) घने आणविक तरल पदार्थ में मौजूद करने के लिए जाना जाता सामूहिक hydrodynamic मोड, और iv) लघु और लंबे समय के पैमाने पर वेग सहसंबंध कार्यों, मध्य कण पैमाने पर गतिशीलता को समझने के लिए जोरदार बातचीत, घने द्रव प्रणालियों । बुनियादी प्रणाली एक इमेजिंग प्रणाली, प्रकाश स्रोत, कंपन सेंसर, एक ज्ञात मीडिया के साथ कंपन प्रणाली, और PIV और विश्लेषण सॉफ्टवेयर से बना है । आवश्यक प्रयोगात्मक माप और सैद्धांतिक के लिए आणविक पैमाने पर hydrodynamic प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए एनालॉग तकनीक का उपयोग करते समय आवश्यक उपकरणों की एक रूपरेखा उजागर कर रहे हैं. प्रस्तावित तकनीक पारंपरिक रूप से आणविक hydrodynamic अध्ययनों में प्रयुक्त नैनोवायर और न्यूट्रॉन बीम कैटरिंग तरीकों के लिए एक अपेक्षाकृत सरल विकल्प प्रदान करता है.
Introduction
आणविक hydrodynamics अध्ययन गतिशीलता और व्यक्तिगत अणुओं और तरल पदार्थ के भीतर अणुओं के संग्रह के सांख्यिकीय यांत्रिकी । कई प्रयोगात्मक आण्विक hydrodynamic प्रणालियों1,2, प्रकाश कैटरिंग1,2,3, आणविक गतिशील सिमुलेशन4के अध्ययन के लिए विकसित तकनीक के अलावा, 5,6,7 और, एक हद तक कम करने के लिए, लोचदार न्यूट्रॉन कैटरिंग8 सबसे अधिक इस्तेमाल किया गया है । दुर्भाग्य से, महत्वपूर्ण सीमाएं उत्तरार्द्ध दो तकनीकों के लिए देते हैं । आणविक गतिशीलता (एमडी) सिमुलेशन, उदाहरण के लिए: i) छोटे स्थानिक और अस्थाई डोमेन अपेक्षाकृत कुछ अणुओं से युक्त करने के लिए सीमित हैं, द्वितीय) अनुमानित अंतर-कण क्षमता का उपयोग की आवश्यकता, iii) आम तौर पर आवर्ती परिचय 
सीमा शर्तों, गैर के तहत अवैध संतुलन थोक प्रवाह की स्थिति, और iv), वर्तमान में नहीं कर सकते हैं, कैसे आणविक पैमाने पर गतिशीलता के बुनियादी सवाल का जवाब है, या तो एक अणु या अणुओं के संग्रह को शामिल, से प्रभावित हैं, और कुछ वापस करने के लिए, थोक, गैर संतुलन द्रव प्रवाह । न्यूट्रॉन कैटरिंग से जुड़े मुख्य परिसीमन में न्यूट्रॉन बीम के उपलब्ध स्रोतों की सीमित संख्या तक पहुँचने की कठिनाई को बाँधा जाता है.
आदेश में एनालॉग प्रयोगात्मक इस लेख में प्रस्तुत तकनीक के लिए संदर्भ प्रदान करने के लिए, हम प्रकाश बिखरने सरल घने गैस और तरल राज्य तरल पदार्थ के लिए लागू तकनीक पर प्रकाश डाला । एक ठेठ प्रकाश बिखरने प्रयोग में, एक ध्रुवीय लेजर प्रकाश बीम एक छोटे से पूछताछ एक स्टेशनरी द्रव नमूना युक्त मात्रा के लिए निर्देशित किया गया है । नमूने के भीतर अणुओं से बिखरे हुए प्रकाश तो घटना बीम के सापेक्ष कुछ निश्चित कोण पर पाया जाता है । ब्याज की आणविक गतिशील शासन पर निर्भर करता है, का पता लगाने और बिखरे हुए प्रकाश संकेत का विश्लेषण या तो प्रकाश छानने या प्रकाश मिश्रण का पता लगाने के तरीकों को शामिल कर. के रूप में बर्न और Pecora1द्वारा उल्लिखित, फ़िल्टरिंग तकनीक, जो समय पर द्रव राज्य आणविक गतिशीलता की जांच एस से कम तराजू, एक पोस्ट-कैटरिंग इंटरफेरोमीटर या विवर्तन कसा परिचय, और वर्णक्रमीय घनत्व की स्कैनिंग की अनुमति 
बिखरी रोशनी की । ऑप्टिकल मिश्रण तकनीक, धीमी गति से समय पैमाने पर गतिशीलता के लिए इस्तेमाल किया, एस, इसके विपरीत, एक पोस्ट-कैटरिंग autocorrelator या स्पेक्ट्रम विश्लेषक, जिसमें बिखरे हुए सिग्नल की वर्णक्रमीय सामग्री मापा बिखरे हुए प्रकाश से निकाला जाता है शामिल 
तीव्रता.
आम तौर पर, लेजर जांच, स्पेक्ट्रम के दृश्य रेंज में सक्रिय रूप से उन लोगों को, तरल-राज्य अणुओं के बीच विशेषता रिक्ति से अधिक लंबी तरंग दैर्ध्य है । इन परिस्थितियों में, जांच किरण उत्तेजित पांच सामूहिक, धीमी गति से समय-स्केल, लंबी लहर-लंबाई hydrodynamic मोड2,9,10 (विशेषता टक्कर आवृत्ति के सापेक्ष धीमी गति से): दो चिपचिपा नम, काउंटर-प्रचार ध्वनि तरंगों, दो जोड़े, विशुद्ध रूप से प्रसार vorticity मोड, और एक एकल प्रसार थर्मल (एन्ट्रापी) मोड । ध्वनि मोड घटना बीम के (अनुदैर्ध्य) दिशा में उत्साहित कर रहे हैं, जबकि vortical मोड अनुप्रस्थ दिशा में उत्साहित हैं ।
पूरी तरह से प्रयोगात्मक तितर बितर तकनीक पर विचार, दो बुनियादी सवाल, संतुलन और गैर आणविक, तरल राज्य प्रणाली के सांख्यिकीय यांत्रिकी के दिल में झूठ बोल रही है, प्रकाश और न्यूट्रॉन बिखरने माप से परे रहते हैं:
1) कठोर तर्क9,11 दिखाने के लिए कि यादृच्छिक, टकराव और उप टकराव-व्यक्तिगत तरल राज्य के अणुओं की समय पैमाने पर गतिशीलता, या तो शास्त्रीय ंयूटोनियन गतिशीलता या क्वांटम गतिशीलता के अधीन, में रिकास्ट किया जा सकता है सामान्यीकृत Langevin समीकरणों (GLE) के रूप में । GLE के बदले में, घने गैसों और तरल पदार्थ में अणुओं के गैर संतुलन सांख्यिकीय यांत्रिकी के अध्ययन में एक केंद्रीय सैद्धांतिक उपकरण शामिल हैं । दुर्भाग्य से, के बाद से व्यक्ति की गतिशीलता (गैर macromolecular) अणु या तो बिखरने तकनीक से हल नहीं किया जा सकता है, वहां वर्तमान में कोई सीधा रास्ता नहीं है, एमडी सिमुलेशन से परे है, GLE की वैधता का परीक्षण ।
2) एक मौलिक macroscopic सातत्य द्रव गतिशीलता के दिल में झूठ की कल्पना, के रूप में अच्छी तरह से अतिसूक्ष्म आणविक hydrodynamics, मंज़ूर है कि लंबाई और समय पर बड़े आणविक व्यास और टकराव के समय के सापेक्ष तराजू, लेकिन सातत्य के लिए छोटे रिश्तेदार लंबाई और समय-तराजू, स्थानीय ऊष्मा संतुलन (LTE) की तस है । सातत्य प्रवाह और हीट ट्रांसफर मॉडल में, जैसे-स्टोक्स (एन एस) समीकरणों, एलटीई धारणा कुछ आंतरिक रूप से गैर संतुलन, सातत्य पैमाने पर प्रवाह और ऊर्जा परिवहन सुविधाओं-चिपचिपा कतरनी तनाव की तरह है और एक जोड़ी के क्रम में9 आवश्यक है थर्मल आचरण-कड़ाई से संतुलन ऊष्मा गुण, तापमान और आंतरिक ऊर्जा की तरह । इसी तरह, जबकि अतिसूक्ष्म गति और ऊर्जा परिवहन आंतरिक रूप से गैर संतुलन प्रक्रियाओं रहे हैं, युग्मित की उपस्थिति को प्रतिबिंबित, अतिसूक्ष्म मास, गति, और ऊर्जा धाराओं, इन अतिसूक्ष्म प्रक्रियाओं के मॉडल लगता है कि धाराओं एलटीई9से छोटे perturbations का प्रतिनिधित्व करते हैं । फिर, हमारे ज्ञान का सबसे अच्छा करने के लिए, वहां LTE धारणा का कोई सीधा प्रायोगिक परीक्षण किया गया है । विशेष रूप से, ऐसा लगता है कि कोई आणविक hydrodynamic तितर बितर प्रयोगों के भीतर का प्रयास किया गया है घने, चलती, गैर संतुलन द्रव प्रवाह ।
इस पत्र में, हम एक एनालॉग प्रयोगात्मक तकनीक की रूपरेखा जिसमें macroscopic, एकल कण और सामूहिक कण की गतिशीलता स्फूर्त अनाज बवासीर, मानक कण इमेजिंग Velocimetry (PIV) का उपयोग कर मापा, परोक्ष रूप से भविष्यवाणी करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता, व्याख्या, और घने गैसों और तरल पदार्थ में एकल और बहु अणु hydrodynamics बेनकाब । प्रस्तावित तकनीक को सक्षम करने वाले भौतिक और सैद्धांतिक तत्वों को हमारे समूह12द्वारा प्रकाशित हाल ही के एक समाचार पत्र में कहा गया है । प्रयोग, macroscopic प्रणाली प्रदर्शित करना चाहिए: (i) स्थानीय, macroscale सांख्यिकीय यांत्रिक संतुलन की ओर एक निरंतर प्रवृत्ति, और (द्वितीय) छोटे, संतुलन से रैखिक प्रस्थान कि नकल (कमजोर) गैर संतुलन उतार चढ़ाव में मनाया आणविक hydrodynamic प्रणालियों । सैद्धांतिक रूप से: (i) शास्त्रीय अतिसूक्ष्म मॉडल संतुलन और कमजोर का वर्णन-गैर संतुलन सघन के सांख्यिकीय यांत्रिकी, बातचीत N-कण प्रणालियों macroscale रूप में फिर से डालना चाहिए, और (ii) परिणामस्वरूप macroscale मॉडल मज़बूती से होना चाहिए एकल और बहु-कण गतिशीलता, लघु, कण टकराव समय-तराजू से लंबी, सातत्य-प्रवाह-समय स्केल की भविष्यवाणी ।
यहां, हम एक विस्तृत प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल के रूप में के रूप में अच्छी तरह से प्रतिनिधि नई तकनीक द्वारा प्राप्त परिणाम प्रस्तुत करते हैं । एमडी सिमुलेशन और प्रकाश और न्यूट्रॉन कैटरिंग तरीकों के विपरीत, नई तकनीक की अनुमति देता है, पहली बार के लिए, बह, दृढ़ता से गैर संतुलन, घने गैसों और तरल पदार्थ के भीतर आणविक hydrodynamic प्रक्रियाओं का विस्तृत अध्ययन.
Protocol
Representative Results
Discussion
आदेश में आणविक hydrodynamic प्रक्रियाओं की जांच के लिए macroscopic सादृश्य के रूप में स्फूर्त अनाज बवासीर का उपयोग करने के लिए, एक प्रयोगात्मककर्ता, एक हाथ पर करना चाहिए, जानने के लिए और चार बुनियादी माप का उपयोग करें, ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम नौसेना अनुसंधान (ONR N00014-15-1-0020) के कार्यालय द्वारा समर्थित किया गया था [Tkacik और Keanini] और Charlotte के मोटरस्पोर्ट्स रिसर्च लैब में उत्तरी कैरोलिना विश्वविद्यालय में प्रदर्शन किया । चमकाने मीडिया Rosler द्वारा दान किया गया था ।
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
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