Dank Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin und Michelle Driscoll für viele nützliche Diskussionen und Qiti Guo für die Hilfe bei der Vorbereitung experimentellen Proben. Diese Arbeit wurde von MRSEC Programm der National Science Foundation unter Grant No DMR-0820054 unterstützt.

1. Schnelle Imaging-Setup (siehe Abbildung 1) <ol><li> Starten durch die Einrichtung einer vertikalen Spur, entlang der ein Behälter mit dem zu untersuchenden Flüssigkeit gefüllt ist frei beweglich, um die Aufprallgeschwindigkeit einzustellen. Die Flüssigkeit den Boden des Behälters durch eine Düse verlässt und tritt dann frei fallen. Für diese Arbeit wurde die Fallhöhe von 1 bis 200 cm variiert werden, um einer Aufprallgeschwindigkeit V ± 0,15 m / sec zu geben 0 = (0,4 bis 6,3). </li><li> Konstruieren und montieren einen Rahmen, um die horizontale Ebene Einfluss, in der Regel eine Glasplatte, unter der eine geneigte reflektierende Spiegel zur Visualisierung der Auswirkungen Tropfen aus dem Boden positioniert zu halten. </li><li> Einen sauberen und glatten Glasplatte auf den Halter. Stellen Sie sicher, dass die Platte waagerecht eingeebnet. </li><li> Montieren Sie eine Spritzenpumpe auf die vertikale Strecke. </li><li> Für flüssige Metall Auswirkungen, legen Sie ein Transparentpapier Diffusor hinter der Düse für die Seitenansicht Bildgebung. Zur gleichen Zeit, legen eine weiße opake Papier oberhalb der Spritzenpumpe zu erzeugen,Reflexion für unten betrachten (siehe Abbildung 1). Dann suchen Sie die Lichtquelle hinter der Düse. </li><li> Für dichte Suspension Auswirkungen, wird kein Diffusor notwendig. Stattdessen platzieren Sie einfach die Lichtquelle vor der Bildebene. </li><li> Wählen Sie das Makro-Objektiv mit einem geeigneten Brennweite für die gewünschte Vergrößerung und optischen Arbeitsabstand. Verbinden Sie dann das Objektiv in die Kamera. </li><li> Montieren Sie die Kamera auf ein Stativ und die Höhe der Kamera gemäß der Abbildungsperspektive (seitlich oder von unten). </li></ol> 2. Probenvorbereitung <ol><li> Herstellung von oxidierten Flüssigmetall <ol><li> Speicher-Gallium-Indium-Eutektikum (EGain) in einem verschlossenen Behälter. Da seine Schmelztemperatur etwa 15 ° C, bleibt EGain in einem flüssigen Zustand bei Raumtemperatur. </li><li> Mit einer Pipette 3 ml EGain Auszug aus dem Behälter und extrudieren Sie es auf einer Acrylplatte. Warten Sie 30 min für die Probe vollständig in der Luft oxidiert werden. Als consequence eine dünne Schicht der faltigen Haut oxidiert bedeckt die Probenoberfläche. </li><li> Verwenden Salzsäure (HCl, &quot;Vorsicht&quot;) unterschiedlicher Konzentrationen, die EGain Probe Vorwäsche und die Oxidation der Oberfläche zu steuern. Insbesondere die Probe zu scheren, während es in dem Säurebad ist, bei 60 s -1 Schergeschwindigkeit mit einem Rheometer. Nach 10 Minuten der Schere, die Höhe der Oberflächenoxidation in der Probe Gleichgewicht erreicht, von der HCl-Konzentration 15,18 gesetzt. </li><li> Nach dieser Vorwäsche, verwenden Sie eine Plastikspritze mit einer Stahldüsenspitze EGain aus dem Bad zu extrahieren. </li><li> Montieren Sie die Spritze auf die Spritzenpumpe und bereit sein, für das Experiment. </li></ol></li><li> Herstellung von dichten Suspensionen <ol><li> Schnitt das Ende eines kommerziellen Spritze (4,5 mm bzw. 2,3 mm im Radius) und als zylindrisches Rohr zum Abgeben der dichte Suspension. </li><li> Ziehen Sie den Kolben der Spritze und füllen Sie mit Wasser den ganzen Weg bis zum offenen Ende, so dass sAbbildung gibt es keine Luftblase mitgenommen. </li><li> Setzen Kugel ZrO2 oder Glasperlen in die Spritze. Mit der Sedimentation von Partikeln, wird das Wasser aus der Düse zu verschütten. Füllen der Spritze mit Teilchen bis hin zu dem offenen Ende. Die Suspension wird unter Schwerkraft jammen. </li><li> Verwenden Sie eine Rasierklinge, um zusätzliche benetzten Teilchen von der Spitze zu entfernen, um dieses Ziel zu flach zu halten. </li><li> Flip über die Düse und montieren sie auf die Spritzenpumpe. Oberflächenspannung die Partikel 16 am Herausfallen zu verhindern. </li></ol></li></ol> 3. Kalibrierung Vor Videos zu sammeln, müssen die Parameter der Abbildungsvorrichtung gesetzt und abgeschlossen werden Licht Ausrichtung hat. Außerdem muss die räumliche Auflösung zu kalibrieren. <ol><li> Starten Sie die Spritzenpumpe mit einer Geschwindigkeit von 20 ml / h aus der Düse herausschieben Flüssigkeit (flüssiges Metall oder Suspension). </li><li> Warten, bis die Flüssigkeit von der Spritze zu trennen, bilden einen Tropfen und Herbstf, um eine Test Auswirkungen auf das Glassubstrat zu machen. </li><li> Passen Sie die Position der Kamera, einschließlich seiner vertikalen Position und Imaging-Orientierung, um die splat in dem Computer-Monitor, der mit der Kamera verbindet finden. Ändern Sie den Arbeitsabstand, um das Bild zu arrangieren, um in der Brennebene sein, wenn der Abbildungsmaßstab des Objektivs ist auf 1:1 fixiert. </li><li> Variieren Sie die Blendenöffnung, Belichtungszeit und Lichtwinkel, um die beste Bildqualität zu erhalten, wenn die Framerate hoch genug ist (&gt; 6.000 fps). Abbildung 2 (a) zeigt die typischen Bilder von der Kamera sowohl für flüssige EGain und einer dichten Suspension entnommen. </li><li> Legen Sie ein Lineal in das Blickfeld (siehe Abbildung 2 (b)) und berechnen die räumliche Auflösung durch Zählen, wie viele Pixel über 1 cm passen. Stellen Sie sicher, es gibt keinen Unterschied in der Auflösung zwischen horizontaler und vertikaler Richtung. </li><li> Folgen Sie einem 3-Schritt-Verfahren, um die Packungsanteil dichte Suspension Abfall zu messen: <ol><li> Messen Sie die Masse des entire splat direkt nach Auswirkungen (zB durch Vermietung der Tropfen fallen in einen Messbecher, die genau gewogen werden kann). </li><li> Dann verdampfen alle Lösungsmittel mit einer Heizung und wiegen die splat erneut, um die Partikelmasse zu erhalten. </li><li> Berechnen Sie das Volumen der Partikel und Flüssigkeit, um die Packungsdichte zu erhalten. Normalerweise sollte dieser Volumenanteil etwa 60% sein. </li></ol></li><li> Nach Angaben der Beobachtungsrichtung (unten oder seitlich), positionieren Sie die Kamera entsprechend. Insbesondere sollte die Kamera neben dem Substrat für die Seitenansicht oder auf der gleichen Ebene des Reflexionsspiegels für Bodenabbildung. </li></ol> 4. Video-Aufnahme und Datenkommunikation <ol><li> Nach der Bildkalibrierung, starten Sie den Spritzenpumpe. Zur gleichen Zeit, öffnen Sie die Kamera Controlling-Software, um die Auswirkungen zu überwachen. </li><li> Stellen Sie die Post-Triggerung Rahmennummern in etwa die Hälfte der Länge des Videos. Achten Sie sorgfältig, wenn der Tropfen zu bilden beginnt und manuell trigger die Kamera in dem Augenblick, Tropfen löst sich von der Düse. Führen Sie ein paar Praxis-Tests vor der Datenaufzeichnung. </li><li> Nachdem die Daten aufgezeichnet werden, trimmen sich das Video zu dem Teil der Auswirkungen enthalten, und speichern Sie die Videos als Bildsequenzen für die Analyse. </li></ol> 5. Bild-Nachbearbeitung und Analyse <ol><li> Verwenden Sie eine Grenze Nachweisverfahren, das sich bewegende Flüssigkeit vor EGain finden, wie es sich ausbreitet, was zu einem scharfen Übergang in der mittleren Pixelwert entspricht (siehe Abbildungen 3 (ab)). </li><li> Von beiden Boden-und Seiten Bilder, bestimmen die Spritzwasser Beginn der dichte Suspension. </li><li> Führen Partikelverfolgungsalgorithmen, um Spuren von einzelnen Partikeln, die aus dem Splat entkommen (siehe Fig. 3 (c)) zu erhalten. Dann berechnen die Ausstoßgeschwindigkeit aus solchen Bahnen (Figur 3 (d)). </li></ol>

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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+Formation+and+Scaling+in+Dense+Suspensions.">Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).</li><li>Royer, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Birth+and+growth+of+a+granular+jet.">Birth and growth of a granular jet.</a> Phys. Rev. E. 78, (2008).</li><li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence.">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Phys. Rev. Lett. 106, (2011).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Mehrere Schritte sind entscheidend für die korrekte Ausführung der schnellen Bildgebung. Zuerst müssen Kamera und Objektiv, angemessen eingerichtet und kalibriert werden. Insbesondere, um eine hohe räumliche Auflösung zu erhalten, kann der Maßstab der Linse muss in der Nähe zum 1:1 gehalten werden. Dies ist besonders wichtig für die Visualisierung von dichten Suspensionen. Außerdem muss die Öffnungsgröße sorgfältig für die Bildgebung ausgewählt werden. Zum Beispiel, die Beobachtung von der Seite in der Re...

Lassen Auswirkungen auf einer festen Oberfläche ist ein Schlüsselprozess in vielen Anwendungen, die elektronische Fertigung 1, 2 Spritzbeschichtung und Additive Manufacturing mit Tintenstrahldruck 3,4, wo eine präzise Steuerung der Tropfenverteilung und Planschen ist erwünscht. Allerdings ist die direkte Beobachtung der Tropfenaufprall technisch anspruchs zwei Gründen. Erstens ist es ein kompliziertes dynamisches Verfahren, die innerhalb eines Zeitraums zu kurz (~ 100 &amp;mgr; s) auf einfache Weise durch herkömmliche Abbildungssysteme, wie optische Mikroskope und Spiegelreflexkameras abzubildenden auftritt. Blitzfotografie Dose Bild natürlich viel schneller, aber nicht für die kontinuierliche Aufzeichnung zu ermöglichen, wie für eine detaillierte Analyse der Entwicklung mit der Zeit benötigt. Zweitens kann der Längenskala von Schlag Instabilitäten induziert so klein wie 10 um 5 sein. Daher ist die quantitative Untersuchung der Auswirkungen Prozess ein System, das ultraschnelle Bildgebung kombiniert mit relativ hohen räumlichen Auflösung ofterwünscht. In Abwesenheit eines solchen Systems frühen Arbeiten hauptsächlich Tröpfchen Auswirkungen sich auf die globale geometrische Verformung nach dem Aufprall 6-8, war aber nicht in der Lage, Informationen über die frühen Zeitpunkt Nichtgleichgewichtsverfahren mit Auswirkungen verbunden sind, wie dem Auftreten von Spritzwasser zu sammeln. Jüngste Fortschritte in der High-Speed-CMOS-Videografie von Flüssigkeiten 9,12 haben die Bildrate bis zu einer Million Bildern pro Sekunde und Belichtungszeiten bis unter 1 Mikrosekunden gedrückt. Darüber hinaus können neu entwickelte CCD-Imaging-Techniken die Bildrate deutlich über eine Million 9-12 fps zu drücken. Die räumliche Auflösung auf der anderen Seite, können in der Reihenfolge von 1 um / Pixel mit Vergrößerungslinsen 12 erhöht werden. In der Folge ist es möglich geworden, um in bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen den Einfluss einer Vielzahl von physikalischen Parametern auf verschiedenen Stadien der Dropdown Auswirkungen und systematisch zu vergleichen Experiment und Theorie 5,13-16. Zum Beispiel die Übergangs Spritzwasser in Newtonschen Flüssigkeiten war Found durch Atmosphärendruck 5 eingestellt werden, während die Eigen Rheologie entscheidet die Dynamik der Ausbreitung Fließspannungs Flüssigkeiten 17. Hier eine einfache, aber leistungsfähige schnelle Bildgebungstechnik wird eingeführt und angewandt, um die Auswirkungen Dynamik von zwei Arten von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten studieren: Flüssigmetalle und dicht gepackte Suspensionen. Bei Kontakt mit Luft, im Wesentlichen alle flüssigen Metallen (außer Quecksilber) wird spontan ein Oxid Haut auf ihrer Oberfläche. Mechanisch wird die Haut als wirksam die Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit der Metalle 18 verändern. In einer früheren Arbeit 15, einige der Autoren untersuchten die Ausbreitung Verfahren quantitativ und waren in der Lage zu erklären, wie der Skin-Effekt beeinflusst die Schlagdynamik, insbesondere die Skalierung der maximalen Ausbreitung Radius mit Stoßparameter. Da flüssige Metall hat eine hohe Oberflächenreflexion ist eine sorgfältige Einstellung der Beleuchtung in der Bildgebung erforderlich. Sperren einWieder von kleinen Teilchen in einer Flüssigkeit besteht. Selbst für einfache Newtonsche Flüssigkeiten, die Zugabe von Partikeln führt zu nicht-newtonsches Verhalten, das besonders im dichten Suspensionen, also bei hohen Volumenanteil der suspendierten Teilchen ausgesprochen wird. Insbesondere wurde das Auftreten von Spritzern, wenn eine Suspension Tröpfchen trifft eine glatte, harte Oberfläche in der bisherigen Arbeit 16 untersucht. Sowohl flüssige Teilchen und Wechselwirkungen zwischen den Teilchen kann das Spritzen Verhalten deutlich von dem, was vielleicht von einfachen Flüssigkeiten erwarten ändern. So verfolgen Partikel so klein wie in 80 um diesen Experimenten eine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist. Eine Kombination von verschiedenen technischen Anforderungen wie hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, sowie die Fähigkeit zur Beobachtung Auswirkungen sowohl von der Seite und von unten, können alle mit der hier beschriebenen Abbildungseinrichtungs erfüllt werden. Durch Anschluss an eine Standard-Protokoll, wie unten beschrieben, die Auswirkungen Dynamik Anleger seinkontrolliert suchten, wie explizit für die Verbreitung und Spritzwasser Verhalten.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:604px;" width="605">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:103px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Gallium-Indium Eutectic</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>495425-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hydrochloric Acid&#160;</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>320331-2.5L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Zirconium oxide</td>
			<td>Glen Mills Inc.</td>
			<td>7200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Phantom V12 &#38; V7 Fast Ccamera</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">105mm Micro-Nikon</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">12V/200W light Source</td>
			<td>Dedolight</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Syringe Pump</td>
			<td>RAZEL</td>
			<td>MODEL R9-9E</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fast imaging technique to study drop impact dynamics of non-newtonian fluids

Auf dem Gebiet der Strömungsmechanik, viele dynamische Prozesse nicht nur über einen sehr kurzen Zeitraum auftreten, sondern erfordern auch eine hohe räumliche Auflösung für detaillierte Beobachtung, Szenarien, die es schwierig, mit konventionellen bildgebenden Systemen beobachten zu machen. Eines davon ist die Tropfenaufprall von Flüssigkeiten, die in der Regel innerhalb von einem Zehntel Millisekunde. Um dieser Herausforderung zu begegnen, ist eine schnelle Bildgebungstechnik eingeführt, die eine High-Speed-Kamera (in der Lage, bis zu einer Million Bilder pro Sekunde) kombiniert mit einem Makro-Objektiv mit großem Arbeitsabstand, die räumliche Auflösung des Bildes auf 10 um bringen / Pixel. Das bildgebende Verfahren ermöglicht eine genaue Messung der relevanten Fluiddynamikgrößen, wie dem Strömungsfeld, die Wurfweite und Spritzwasser Geschwindigkeit, aus der Analyse der aufgezeichneten Video. Um die Fähigkeiten dieses Visualisierungssystem zu demonstrieren, die Schlagdynamik, wenn Tröpfchen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten treffen auf einen ebenen, festen Oberfläche zeichRized. Zwei Situationen sind zu berücksichtigen: für oxidierte Flüssigmetalltropfen konzentrieren wir uns auf die Ausbreitungsverhalten und für dicht gepackte Suspensionen bestimmen wir die Entstehung von Spritzern. Generell ist bei der Kombination von hoher zeitlicher und räumlicher Bildauflösung hier vorge bietet Vorteile für die Untersuchung schnell Dynamik in einem breiten Spektrum von Mikro Phänomene.

Die schnelle Bildgebungstechnik verwendet werden, um die Verbreitung zu quantifizieren und Spritzwasser für verschiedene Szenarien, Auswirkungen. Abbildung 4 (a), zum Beispiel, zeigt typische Bildsequenzen Auswirkungen für flüssige EGain mit verschiedenen Oxidhaut Stärke. Durch Ausstoßen EGain aus der gleichen Düse und gleichzeitig Fallhöhe Tröpfchen mit reproduzierbaren Aufprallgeschwindigkeit V 0 = 1,02 ± 0,12 m / sec und der Radius R 0 = 6,25 ± 0,10 mm erzeugt wurden. ...

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Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

Tropfenaufprall der nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist ein komplexer Prozess, da verschiedene physikalische Parameter beeinflussen die Dynamik in sehr kurzer Zeit (weniger als ein Zehntel einer Millisekunde). Eine schnelle Bildgebungsverfahren wird, um die Auswirkungen von verschiedenen Verhaltensweisen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu charakterisieren eingeführt.

Schnelle Bildtechnik Tropfen Schlag Dynamik der Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten Studieren

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

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Serie: Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

Experimental Measurement of Settling Velocity of Spherical Particles in Unconfined and Confined Surfactant-based Shear Thinning Viscoelastic Fluids

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic (VES) fluids. The measurements are made for particles settling in unbounded fluids&#160;and fluids between parallel walls. VES fluids over a wide range of rheological properties are prepared and rheologically characterized. The rheological characterization involves steady shear-viscosity and dynamic oscillatory-shear measurements to quantify the viscous and elastic properties respectively. The settling velocities under unbounded conditions are measured in beakers having diameters at least 25x the diameter of particles. For measuring settling velocities between parallel walls, two experimental cells with different wall spacing are constructed. Spherical particles of varying sizes are gently dropped in the fluids and allowed to settle. The process is recorded with a high resolution video camera and the trajectory of the particle is recorded using image analysis software. Terminal settling velocities are calculated from the data.
The impact of elasticity on settling velocity in unbounded fluids is quantified by comparing the experimental settling velocity to the settling velocity calculated by the inelastic drag predictions of Renaud et al.1&#160;Results show that elasticity of fluids can increase or decrease the settling velocity. The magnitude of reduction/increase is a function of the rheological properties of the fluids and properties of particles. Confining walls are observed to cause a retardation effect on settling and the retardation is measured in terms of wall factors.

This paper demonstrates the experimental procedure to measure terminal settling velocities of spherical particles in surfactant-based shear thinning viscoelastic fluids. Fluids over a wide range of rheological properties are prepared and settling velocities are measured for a range of particle sizes in unbounded fluids and fluids between parallel walls.

Experimentelle Messung der Settling Velocity von sphärischen Partikeln in unbeschränkten und geschlossenen Tensid-basierten Scherdünnungsviskoelastischen Flüssigkeiten

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic ...

Forschung

Ingenieurwesen

Time Multiplexing Super Resolving Technique for Imaging from a Moving Platform

We propose a method for increasing the resolution of an object and overcoming the diffraction limit of an optical system installed on top of a moving imaging system, such as an airborne platform or satellite. The resolution improvement is obtained in a two-step process. First, three low resolution differently defocused images are being captured and the optical phase is retrieved using an improved iterative Gerchberg-Saxton based algorithm. The phase retrieval allows to numerically back propagate the field to the aperture plane. Second, the imaging system is shifted and the first step is repeated. The obtained optical fields at the aperture plane are combined and a synthetically increased lens aperture is generated along the direction of movement, yielding higher imaging resolution. The method resembles a well-known approach from the microwave regime called the Synthetic Aperture Radar (SAR) in which the antenna size is synthetically increased along the platform propagation direction. The proposed method is demonstrated through laboratory experiment.

A method for overcoming the optical diffraction limit is presented. The method includes a two-step process: optical phase retrieval using iterative Gerchberg-Saxton algorithm, and imaging system shifting followed by repetition of the first step. A synthetically increased lens aperture is generated along the direction of movement, yielding higher imaging resolution.

Zeit-Multiplexing-Technik für überauflösenden Imaging von einer beweglichen Plattform

We propose a method for increasing the resolution of an object and overcoming the diffraction limit of an optical system installed on top of a moving ...

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned and bonded silicon wafers. Unlike confinements in porous materials often used for these types of experiments3, bonded wafers provide predesigned uniform spaces for confinement. The geometry of each cell is well known, which removes a large source of ambiguity in the interpretation of data.
Exceptionally flat, 5 cm diameter, 375 &#181;m thick Si wafers with about 1 &#181;m variation over the entire wafer can be obtained commercially (from Semiconductor Processing Company, for example). Thermal oxide is grown on the wafers to define the confinement dimension in the z-direction. A pattern is then etched in the oxide using lithographic techniques so as to create a desired enclosure upon bonding. A hole is drilled in one of the wafers (the top) to allow for the introduction of the liquid to be measured. The wafers are cleaned2 in RCA solutions and then put in a microclean chamber where they are rinsed with deionized water4. The wafers are bonded at RT and then annealed at ~1,100 &#176;C. This forms a strong and permanent bond. This process can be used to make uniform enclosures for measuring thermal and hydrodynamic properties of confined liquids from the nanometer to the micrometer scale.

A method for permanently bonding two silicon wafers so as to realize a uniform enclosure is described. This includes wafer preparation, cleaning, RT bonding, and annealing processes. The resulting bonded wafers (cells) have uniformity of enclosure ~1%1,2. The resulting geometry allows for measurements of confined liquids and gasses.

Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust aggregates with sizes up to ~10 cm and porosities up to 70% can be collided. One of the drop towers is primarily used for very low impact speeds down to below 0.01 m/sec and makes use of a double release mechanism. Collisions are recorded in stereo-view by two high-speed cameras, which fall along the glass vacuum tube in the center-of-mass frame of the two dust aggregates. The other free-fall tower makes use of an electromagnetic accelerator that is capable of gently accelerating dust aggregates to up to 5 m/sec. In combination with the release of another dust aggregate to free fall, collision speeds up to ~10 m/sec can be achieved. Here, two fixed high-speed cameras record the collision events. In both drop towers, the dust aggregates are in free fall during the collision so that they are weightless and match the conditions in the early Solar System.

We present a technique to achieve low-velocity to intermediate-velocity collisions between fragile dust aggregates in the laboratory. For this purpose, two vacuum drop-tower setups have been developed that allow collision velocities between &#60;0.01 and ~10 m/sec. The collision events are recorded by high-speed imaging.

Labor-Tropfen-Towers für die Experimentelle Simulation von Staub-Aggregat-Kollisionen im frühen Sonnensystem

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Die Herstellung elektro Bridges von Polar Schlags Flüssigkeiten

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

Emissionsspektroskopische Grenzschichtuntersuchung während ablative Materialprüfung in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve geologic seals and allow CO2 to escape. However, the dissolution processes at reservoir conditions are poorly understood. Thus, time-resolved experiments are needed to observe and predict the nature and rate of dissolution at the pore scale. Synchrotron fast tomography is a method of taking high-resolution time-resolved images of complex pore structures much more quickly than traditional &#181;-CT. The Diamond Lightsource Pink Beam was used to dynamically image dissolution of limestone in the presence of CO2-saturated brine at reservoir conditions. 100 scans were taken at a 6.1 &#181;m resolution over a period of 2 hours. The images were segmented and the porosity and permeability were measured using image analysis and network extraction. Porosity increased uniformly along the length of the sample; however, the rate of increase of both porosity and permeability slowed at later times.

Synchrotron fast tomography was used to dynamically image dissolution of limestone in the presence of CO2-saturated brine at reservoir conditions. 100 scans were taken at a 6.1 &#181;m resolution over a period of 2 h.

Dynamische Pore-Skala Reservoir-Zustand Abbildung von Reaktions in Karbonate mit Synchrotronstrahlung Schnelle Tomography

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

Dielectric RheoSANS &#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and microstructural properties of complex fluids is presented. The instrument consists of a Couette geometry contained within a modified forced convection oven mounted on a commercial rheometer. This instrument is available for use on the small angle neutron scattering (SANS) beamlines at the National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research (NCNR). The Couette geometry is machined to be transparent to neutrons and provides for measurement of the electrical properties and microstructural properties of a sample confined between titanium cylinders while the sample undergoes arbitrary deformation. Synchronization of these measurements is enabled through the use of a customizable program that monitors and controls the execution of predetermined experimental protocols. Described here is a protocol to perform a flow sweep experiment where the shear rate is logarithmically stepped from a maximum value to a minimum value holding at each step for a specified period of time while frequency dependent dielectric measurements are made. Representative results are shown from a sample consisting of a gel composed of carbon black aggregates dispersed in propylene carbonate. As the gel undergoes steady shear, the carbon black network is mechanically deformed, which causes an initial decrease in conductivity associated with the breaking of bonds comprising the carbon black network. However, at higher shear rates, the conductivity recovers associated with the onset of shear thickening. Overall, these results demonstrate the utility of the simultaneous measurement of the rheo-electro-microstructural properties of these suspensions using the dielectric RheoSANS geometry.

Dielectric RheoSANS &amp;#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

Here, we present a procedure for the measurement of simultaneous impedance, rheology and neutron scattering from soft matter materials under shear flow.

Dielectric RheoSANS - Gleichzeitige Interrogation von Impedanz, Rheologie und Kleinwinkelneutronenstreuung komplexer Fluide

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and ...

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of gamma rays created when neutrons interact with soil elements. The main parts of the INS system are a pulsed neutron generator, NaI(Tl) gamma detectors, split electronics to separate gamma spectra due to INS and thermo-neutron capture (TNC) processes, and software for gamma spectra acquisition and data processing. This method has several advantages over other methods in that it is a non-destructive in situ method that measures the average carbon content in large soil volumes, is negligibly impacted by local sharp changes in soil carbon, and can be used in stationary or scanning modes. The result of the INS method is the carbon content from a site with a footprint of ~2.5 - 3 m2 in the stationary regime, or the average carbon content of the traversed area in the scanning regime. The measurement range of the current INS system is &#62;1.5 carbon weight % (standard deviation &#177; 0.3 w%) in the upper 10 cm soil layer for a 1 hmeasurement.

Here, we present the protocol for in situ measurement of soil carbon using the neutron-gamma technique for single point measurements (static mode) or field averages (scanning mode). We also describe system construction and elaborate data treatment procedures.

Messungen von Kohlenstoff im Boden durch Neutron-Gamma-Analyse in statische und Scan-Modi

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous studies on flowing liquid films have neglected the contributions of spatial structures of waves to the impact outcome, while this has recently been shown to have a significant influence on the drop impact dynamics. In this report, we outline a step-by-step procedure to investigate the effect of periodic inlet forcing of a flowing liquid film leading to the production of spatiotemporally regular wave structures on drop impact dynamics. A function generator in connection with a solenoid valve is used to excite these spatiotemporally regular wave structures on the film surface while the impact dynamics of uniform-sized droplets are captured using a high-speed camera. Three distinct regions are then studied; viz. the capillary wave region preceding the large wave peak, the flat film region, and the wave hump region. The effects of important dimensionless quantities such as film Reynolds, drop Weber and Ohnesorge numbers parameterized by the film flow rate, drop speed, and drop size are also examined. Our results show interesting, hitherto undiscovered dynamics brought about by this application of film inlet forcing of the flowing film for both low and high inertia drops.

A protocol to study the contributions of waves to droplet impact dynamics on flowing liquid films is presented.

Film-Kontrolle, Beiträge der Wellen zu Tröpfchen Auswirkungen Dynamik auf dünnen fließt Flüssigkeitsfilme zu studieren

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous ...