Una tecnica Analog macroscopica per studiare i processi molecolari idrodinamici in denso gas e liquidi

Summary

Viene presentato un metodo analogico sperimentalmente accessibile per lo studio di processi molecolari idrodinamici in fluidi densi. La tecnica utilizza particle image velocimetry dei mucchi di grano vibrato, alta-restituzione e permette l’osservazione diretta, macroscopici di processi dinamici noto e previsto di esistere in fortemente interagenti, ad alta densità gas e liquidi.

Abstract

È descritto un metodo analogico, macroscopico per lo studio su scala molecolare processi idrodinamici in denso gas e liquidi. La tecnica si applica un standard fluido dinamico diagnostica, particella image velocimetry (PIV), per misurare: i) le velocità delle singole particelle (grani), ancora esistenti sul breve, grano-collisione scale temporali, ii) le velocità dei sistemi di particelle, sia a breve collisione-tempo – e lungo, continuum-flusso-tempo-bilance, iii) modi collettivi idrodinamici, conosciute per esistere in fluidi densi molecolare e iv) funzioni di autocorrelazione di velocità e lungo-tempo-scala corta, centrale per comprendere le dinamiche delle particelle-scala in sistemi fluidi fortemente interagenti, densi. Il sistema base è composto di un sistema di imaging, fonte di luce, sensori vibrazionali, sistema vibrazionale con un noto software di media e PIV e analisi. Necessarie misure sperimentali e un contorno degli strumenti teorici necessari quando si utilizza la tecnica analogica per studiare processi idrodinamici su scala molecolare sono evidenziati. La tecnica proposta fornisce un’alternativa relativamente semplice a fotonici e metodi di dispersione tradizionalmente utilizzati in studi idrodinamici molecolari del fascio di neutroni.

Introduction

Idrodinamica molecolare studia la dinamica e la meccanica statistica delle singole molecole e collezioni di molecole all’interno dei fluidi. Tra le tante tecniche sperimentali sviluppate per lo studio di sistemi molecolari idrodinamica^1,2, dispersione della luce^1,2,3, simulazioni di dinamica molecolare^{4, 5,6,7} e, in misura minore, di scattering anelastico neutroni⁸ sono stati utilizzati più comunemente. Purtroppo, significative limitazioni collegare le due tecniche di quest’ultime. Simulazioni di dinamica molecolare (MD), ad esempio: i) sono limitata a piccole spaziale e temporale domini contenenti relativamente poche molecole , ii) richiedono l’uso delle potenzialità di inter-particella approssimativa, iii) in genere introdurre periodiche condizioni al contorno, valide in condizioni di flusso di massa di non-equilibrio e iv) non possono, al momento, rispondere alla domanda fondamentale della dinamica come scala molecolare, che coinvolgono sia le singole molecole o collezioni di molecole, sono influenzate e coppie Torna a, massa, quantità di fluido non-equilibrio. La limitazione principale connessa con lo scattering di neutroni è legata alla difficoltà di accesso a numero limitato di sorgenti di neutroni fascio disponibile.

Al fine di fornire un contesto per la tecnica sperimentale analog presentata in questo articolo, evidenziamo tecniche di dispersione della luce applicate ai fluidi densi-gas e liquido-stato semplice. In un esperimento di scattering di luce tipica, un fascio di luce polarizzata laser è diretto ad un volume di interrogatorio piccola contenente un campione di fluido stazionario. Luce diffusa dalle molecole all’interno del campione viene quindi rilevato in qualche angolo fisso rispetto al fascio incidente. A seconda del regime di dinamico molecolare di interesse, rilevamento e analisi del segnale luce sparso incorpora né luce filtro o metodi di rilevamento di miscelazione. Come descritto da Berna e Pecora¹, tecniche, di filtraggio che sonda dinamica molecolare allo stato fluido il tempo scale più corto s, introdurre un interferometro post-scattering o un reticolo di diffrazione e consentire una scansione della densità spettrale di luce diffusa. Ottica mescolando tecniche, utilizzate per dinamica a scala di tempo lento, s, al contrario, incorporare un analizzatore di autocorrelazione o spettro post-scattering, in cui il contenuto spettrale del segnale sparso viene estratto dalla luce sparsa misurata intensità.

In genere, laser sonde, almeno quelli che operano nella gamma visibile dello spettro, hanno lunghezze d’onda molto più tempo la caratteristica spaziatura tra molecole di liquido-stato. In queste circostanze, il fascio sonda eccita cinque collettivo, scala di tempo lento, modalità idrodinamico di lungo-lunghezza d’onda^2,9,10 (lento rispetto la frequenza delle collisioni caratteristico): due viscously attenuato, contro-propagazione delle onde sonore, due modalità di vorticità disgiunto, puramente diffusivo e una modalità singola termica diffusiva (entropia). La modalità di suono sono eccitati in direzione (longitudinale) del fascio incidente, mentre la modalità vorticoso sono eccitati in direzione trasversale.

Considerando puramente sperimentale spargendo tecniche, due domande fondamentali, che si trova al centro dell’equilibrio e meccanica statistica di non-equilibrio di molecolare, sistemi liquido-stato, rimangono di là di luce e misure di scattering di neutroni:
1) rigorosi argomenti^9,11 mostrano che la dinamica di collisione – e sub-collision-scala tempo casuale, delle singole molecole di liquido-stato, soggetto a dinamica newtoniana classica o dinamica quantistica, possa essere rielaborata nella forma di equazioni generalizzate di Langevin (GLE). GLE, a loro volta, costituiscono uno strumento teorico centrale nello studio della meccanica statistica di non-equilibrio delle molecole nel denso gas e liquidi. Purtroppo, poiché le dinamiche delle singole molecole (macromolecolare) non possono essere risolto da una delle due tecniche di scattering, non c’è attualmente nessun modo diretto, di là di simulazioni MD, per testare la validità di GLE.
2) un’ipotesi fondamentali che si trova nel cuore della fluidodinamica di continuum macroscopica, anche su microscala molecolare idrodinamica, postula che su – e tempo-scale di lunghezza grande rispetto diametri molecolari e collisione volte, ma piccolo rispetto al continuum scale di lunghezza e tempo, equilibrio termodinamico locale (LTE) prevale. In flusso e calore modelli trasferimento continui, come le equazioni di Navier-Stokes (NS), il presupposto di LTE è richiesto⁹ per accoppiarsi intrinsecamente non-equilibrio, flusso di continuum-scala e funzionalità di trasporto di energia — piace viscosi sollecitazioni di taglio e conduzione termica — rigorosamente equilibrio termodinamico proprietà, come temperatura ed energia interna. Allo stesso modo, mentre su microscala slancio ed energia trasporti sono processi intrinsecamente non-equilibrio, che riflette l’apparenza della massa accoppiati, di Microscala, slancio e correnti d’energia, modelli di questi processi di Microscala supporre che le correnti rappresentano piccole perturbazioni da LTE⁹. Ancora una volta, al meglio della nostra conoscenza, non ci sono stati nessun test sperimentali diretti dell’assunzione LTE. In particolare, sembra che non sono stati tentati esperimenti di dispersione idrodinamica molecolare all’interno di flussi di fluidi densi, commoventi e di non-equilibrio.

In questo articolo, descriviamo una tecnica sperimentale analogica in cui la particella macroscopica, singola e collettivo delle particelle dinamiche dei mucchi di grano vibrato, misurate utilizzando standard Particle Imaging Velocimetry (PIV), può essere utilizzato per predire indirettamente, interpretare ed esporre single – e multi – molecule idrodinamica in denso gas e liquidi. Gli elementi fisici e teorici che consentono la tecnica proposta sono indicati in un recente documento pubblicato dal nostro gruppo di¹². Sperimentalmente, il sistema macroscopico deve esibire: (i) una tendenza sostenuta verso locale, equilibrio meccanico statistico di macroscala e (ii) piccolo, partenze lineare dall’equilibrio che imitano le fluttuazioni di non-equilibrio (debole) osservati in sistemi molecolari idrodinamici. Teoricamente: microscale (i) classici modelli che descrivono l’equilibrio e la meccanica statistica debolmente-non-equilibrio di denso, sistemi di N particelle interagenti devono essere rielaborati in forma di macroscala, e (ii) i modelli di macroscala risultanti devono in modo affidabile prevedere la dinamica di particella singola e multipla, da breve, particella-collisione-scale temporali a lunghe, continuum-flusso-tempo-scale.

Qui, presentiamo un dettagliato protocollo sperimentale, nonché rappresentante risultati ottenuti con la nuova tecnica. In contrasto con simulazioni MD e luce e metodi di scattering di neutroni, la nuova tecnica consente, per la prima volta, studio dettagliato dei processi molecolari idrodinamici all’interno che scorre, fortemente non-equilibrio, densa di gas e liquidi.

Protocol

1. preparazione del sistema vibrante Impostare il sistema vibratorio come mostrato in Figura 1. Questo sistema è costituito da un anulare in poliuretano ciotola (avendo un diametro esterno di 600 mm), collegato a un singolo-giri/min (1740), motovibratore, dove quest’ultimo genera vibrazioni di processo. Questo è attaccato ad una base ponderata e separato da un gruppo di otto molle (la ciotola e base appesantita vengono acquistati assemblati come un unico pezzo). Fissare …

Representative Results

Nel presentare i risultati rappresentativi, ci riferiamo ai processi di continuum-tempo-scala come quelli osservati e previsti su scale temporali, che sono lunghi rispetto alla scala di tempo di collisione caratteristica grana, e particella-tempo-scala processi come que…

Discussion

Per poter utilizzare mucchi di grano vibrato come macroscopici analoghi per l’indagine molecolari processi idrodinamici, un sperimentalista deve, da un lato, imparare e utilizzare quattro misure di base e da altro, padroneggiare alcuni elementi di base dell’equilibrio e meccanica statistica di non equilibrio. In primo luogo concentrarsi su misure sperimentali, questi includono: i) misurazione della dinamica di grano individuale attraverso la misura della funzione di autocorrelazione di particella singola velocità, ii) m…

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