En Analog makroskopisk teknikk for å studere molekylære etter prosesser i tett gasser og væsker

Summary

Et eksperimentelt tilgjengelig analoge metode for å studere molekylære etter prosesser i tett væsker er presentert. Teknikken bruker partikkel bilde velocimetry av vibrerte, høy-hvile korn hauger og tillater direkte, makroskopisk observasjon av dynamiske prosesser kjent og spådde i sterkt vekselvirkende, høy tetthet gasser og væsker.

Abstract

En analog, makroskopisk metode for å studere molekylære skala etter prosesser i tett gasser og væsker er beskrevet. Teknikken bruker en standard væske dynamisk diagnostiske partikkel bilde velocimetry (PIV), måle: i) fart av personlige partikler (korn), bevarte på kort, korn-kollisjon tid-skalaer, ii) fart av systemer av partikler, både kort kollisjon-tid- og lange, kontinuum-flyt-tid-skalaer, iii) kollektive etter moduser kjent i tett molekylær væsker og iv) kort og lang-tid-skala hastighet autokorrelasjon funksjoner, sentrale å forstå partikkel skala dynamikk i sterkt vekselvirkende, tett flytende systemer. Basic system består av en tenkelig system, lyskilden, vibrasjonen sensorer, vibrasjonen system med en kjent media, og PIV og analyse programvare. Nødvendige eksperimentelle målinger og en disposisjon av teoretiske verktøy nødvendig når du bruker analog teknikken for å studere molekylære skala etter prosesser er markert. Den foreslåtte teknikken er et relativt enkelt alternativ til fotoniske og neutron stråle spredning metoder som tradisjonelt brukes i molekylær etter studier.

Introduction

Molekylær hydrodynamikk studier dynamikk og statistical mechanics av molekyler og samlinger av molekyler innenfor væsker. Blant de mange eksperimentelle teknikkene utviklet for å studere molekylære etter systemer^1,2, lysspredning^1,2,3, molekylær dynamiske simuleringer^{4, 5,6,7} og, i mindre grad, uelastisk neutron spredning⁸ har blitt vanligvis brukt. Dessverre fest betydelige begrensninger til de siste to teknikkene. Molekylære dynamikk (MD) simuleringer, for eksempel: i) er begrenset til små romlige og tidsmessige domener som inneholder relativt få molekyler , ii) krever bruk av omtrentlig mellom partikkel potensialene, iii) vanligvis introdusere periodisk betingelser, ugyldig under ikke-likevekt bulk strømningsforhold og iv) kan i dag, svare på grunnleggende spørsmål om hvordan molekylær skala dynamikk, som involverer enten enkelt molekyler eller samlinger av molekyler, påvirkes og par tilbake til, bulk, ikke-likevekt væskestrøm. Hovedbegrensningen tilknyttet neutron spredning er knyttet til problemer med tilgang til begrenset antall neutron strålen kilder tilgjengelig.

For å gi sammenheng for analoge eksperimentelle teknikken presenteres i denne artikkelen, markere vi lysspredning teknikkene for enkel tett-gass og væske-state væsker. I et typisk lysspredning eksperiment, er en polarisert lys laserstråle rettet mot et lite avhør volum som inneholder en stillestående væske prøve. Lys spredt molekyler innenfor prøven er deretter oppdaget på noen fast vinkel i forhold til hendelsen strålen. Avhengig av molekylære dynamisk regimet av interesse inkorporerer deteksjon og analyse av spredte lyssignal lys filtrering eller lys blande gjenkjenningsmetoder. Som det fremgår av Bern og Pecora¹, filtreringsteknikker, som sonde væske staten molekylære dynamikk på tid skalerer kortere enn s, innføre en post spredning interferometer eller Diffraksjon rist, og tillate skanning av spectral tetthet den spredte lys. Optisk blander teknikker, for å bremse-tidsskala dynamikk, s, derimot, innlemme en post spredning autocorrelator eller spektrum analysator, der spectral innholdet i spredte signalet er Hentet fra målt spredte lys intensitet.

Vanligvis laser sonder, minst de opererer i det synlige området av spekteret, har bølgelengder mye lengre enn karakteristiske avstanden mellom liquid-state molekyler. Under disse omstendigheter sonde strålen interesserer fem kollektiv, langsom-tidsskala, lang-bølgelengde etter moduser^2,9,10 (tregt sammenlignet med karakteristiske kollisjon frekvensen): to viscously dempet, mot spre lydbølger, to montert, rent diffusive vorticity moduser og en enkelt diffusive termisk (entropi) modus. The lydmodi er begeistret (langsgående) mot hendelsen strålen, mens vortical modusene er glade i tverrgående retning.

Vurderer rent eksperimentelle spredning teknikker, to grunnleggende spørsmål, ligger i hjertet av likevekt og ikke-likevekt statistiske mekanikken i molekylær, forblir væske-statlige systemer, utenfor lys og neutron spredning målinger:
1) strenge argumenter^9,11 viser at tilfeldig, kollisjon – og sub-collision-tidsskala dynamikken i væske-state molekyler, enten klassisk newtonsk dynamics eller quantum dynamikk, kan være støpt i den form av generalisert Langevin ligninger (vinkel). GLE, i sin tur omfatter et sentralt teoretiske verktøy i studiet av ikke-likevekt statistiske mekanikken i molekyler i tett gasser og væsker. Dessverre, siden dynamikken i (ikke-macromolecular) molekyler ikke kan løses av enten spredning teknikk, er det for tiden ingen direkte måte, utover MD simuleringer, teste gyldigheten av GLE’S.
2) en grunnleggende hypotese ligger i hjertet av makroskopisk kontinuum fluiddynamikk, udiskutable samt Mikroskala molekylær hydrodynamikk, som på lengde – og -tidsskalaer store molekylær diameter og kollisjon tid, men liten i forhold til kontinuum lengde – og -tidsskalaer, råder lokale termodynamisk likevekt (LTE). I kontinuum flyt og varme overføring-modeller, som Navier-Stokes (NS) ligninger, LTE forutsetningen er nødvendig⁹ for å par egentlig ikke-likevekt, kontinuum skala flyt og energi transport funksjoner-liker tyktflytende skjær stress og varmeledning-til strengt likevekt termodynamisk egenskaper, som temperatur og indre energi. Likeledes, mens Mikroskala fart og energi transport er egentlig ikke-likevekt prosesser, reflekterer utseendet på sammen, Mikroskala masse, momentum og energi strøm, modeller av prosessene Mikroskala anta at strøm representere små forstyrrelser fra LTE⁹. Igjen, etter beste overbevisning, har det vært ingen direkte eksperimentelle tester av LTE forutsetning. Særlig vises det at ingen molekylær etter spredning eksperimenter forsøkt i tett, bevegelig, ikke-likevekt væske renner.

I dette papiret skissere vi en analog eksperimentelle teknikk der makroskopisk, enkelt partikkel og kollektive partikkel dynamikken i vibrerte korn hauger, målt ved hjelp av standard partikkel Imaging Velocimetry (PIV), kan brukes å indirekte forutsi, tolke, og utsette enkelt – og multi – molecule hydrodynamikk i tett gasser og væsker. De fysiske og teoretisk elementene som muliggjør foreslåtte teknikken er angitt i en fersk papir publisert av vår gruppe¹². Eksperimentelt, makroskopisk systemet må forevise: (i) en vedvarende tendens til lokale macroscale statistiske mekanisk likevekt og (ii) små, lineær avganger fra likevekt som etterligner (svak) ikke-likevekt svingninger observert i molekylær etter systemer. Teoretisk: (i) klassisk Mikroskala modeller som beskriver likevekt og svakt-ikke-likevekt statistiske mekanikken i tett samspill N-partikkel-systemer må være støpt i macroscale-skjemaet, og (ii) resultatet macroscale modeller må pålitelig forutsi enkelt – og flere-partikkel dynamikk, fra korte, partikkel-kollisjon-tid-skalaer for lang kontinuum-flyt-tid-skalaer.

Her presenterer vi en detaljert eksperimentelle protokoll som representant resultatene av den nye teknikken. I motsetning til MD simuleringer og lys og neutron spredning metoder kan den nye teknikken, for første gang, detaljerte studier av molekylære etter prosesser i strømmer, sterkt ikke-likevekt, tett gasser og væsker.

Protocol

1. forberedelse av vibrerende System Definere vibrerende systemet som vist i figur 1. Dette systemet består av en ringformede polyuretan bowl (har en ytre diameter på 600 mm), knyttet til en enkelt-hastighet (1740 rpm), ubalansert motor, hvor sistnevnte genererer prosessen vibrasjoner. Dette er knyttet til en veiede basis og atskilt av en gruppe av åtte kilder (bollen og basen er kjøpt samlet i én del). Knytte bolle samlingen til sin stand og sikre med to medfølgende…

Representative Results

I å presentere representant resultater, vi refererer til kontinuum-tidsskala prosesser som de observerte og forventet over tidsskalaer, som er lang i forhold til karakteristiske korn kollisjon tidsskalaen, og partikkel-tidsskala behandler som observert og predikert ove…

Discussion

Bruke vibrerte korn hauger som makroskopisk analogs for å undersøke molekylær etter prosesser, en experimentalist må, på den ene siden lære og bruke fire grunnleggende mål og mestre noen grunnleggende elementer av likevekt, og ikke-likevekt statistiske mekanikere. Fokusere først på eksperimentell målinger, disse inkluderer: i) måling av individuelle korn dynamics gjennom måling av enkelt-partikkel hastighet autokorrelasjon funksjonen, ii) måling av gjennomsnitt/lang-tid-tidsskala overflaten korn hastighet fe…

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