RJAH acknowledges support from EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS acknowledges funding from EPSRC under grant number EP/K5035-4X/1.

NOTA: L&#39;apparato sperimentale è mostrato schematicamente in Fig. 2. La parte principale del dispositivo consiste di una piattaforma girevole (300 mm x 300 mm) montato su un cilindro di rame (diametro 55 mm) che scende sotto il proprio peso nel forte campo magnetico di un magnete superconduttore (1,8 T) con una camera temperatura foro verticale. La piattaforma viene fatto ruotare mediante un motore fuori asse che trasforma un slip-cuscinetto con un orifizio serratura. Il cilindro di rame è attaccata ad un albero motore a forma di chiave che ruota simultaneamente, e scende volta l&#39;azienda pin viene rimosso. 1. Preparazione di non equipaggiamento standard <ol><li> barca flottazione <ol><li> Effettuare la dimensione della barca tale che si adatta comodamente all&#39;interno del serbatoio sperimentale senza toccare i lati. NOTA: La barca flottazione (vedere Fig. 3) è costituito da pareti di polistirolo e una base spugna. </li><li> Proteggere la spugna con uno strato di stcarta velina rong. NOTA: Lo scopo della carta velina è di dissipare slancio tanto verticale dal fluido versato in barca possibile. </li></ol></li></ol> 2. Preparazione di Experiment <ol><li> Preparazione di strati liquidi <ol><li> Lasciare acqua distillata a venire a temperatura di laboratorio (22 ± 2 ° C). Circa 650 mL è richiesto per ogni realizzazione sperimentale. NOTA: Consentire la miscela equilibrare impedisce la formazione di bolle nell&#39;esperimento causa exsolving aria. </li><li> Separare l&#39;acqua distillata in volumi uguali in due contenitori separati, A e B, che saranno utilizzati per preparare liquido per lo strato inferiore denso e strato superiore della luce rispettivamente. </li><li> Preparazione ex-situ di denso strato inferiore. Per i contenuti del contenitore A: <ol><li> Aggiungere NaCl per ottenere una concentrazione di 0,43 mol NaCl per litro di acqua (circa 25 g di NaCl per litro disarà richiesto di acqua); </li><li> Aggiungere coloranti 0,33 g rossi e blu-tracing acqua al contenitore strato inferiore (ad esempio, Cole-Parmer 00.295-16 e -18); </li><li> Aggiungere 0,1 g L -1 di sodio fluoresceina. NOTA: Lo strato inferiore sarà ora opachi e hanno una densità di circa 1012,9 ± 1,2 kg m -3. </li></ol></li><li> Preparazione ex-situ di strato superiore della luce. Per i contenuti del contenitore B: <ol><li> Aggiungere MnCl 2 sale per ottenere una concentrazione di 0,06 mol MnCl 2 per litro di acqua (circa 12 g di MnCl 2 per litro di acqua). NOTA: Lo strato superiore sarà trasparente in aspetto e hanno una densità di circa 998,2 ± 0,5 kg m -3. </li></ol></li><li> Per variare la viscosità degli strati fluidi, aggiungere glicerolo C 3 H 8 O 3 in quantità pari a ogni strato fino alla viscosità desiderata è raggiunta. viscositie tipicas si trovano nel range 1,00 × 10 -3 - 21,00 × 10 -3 Pa s. La viscosità di ogni strato è la stessa. NOTA: Le miscele possono essere conservati in modo sicuro nei loro contenitori separati fino al momento. </li><li> Preparazione ex-situ della stratificazione densità. <ol><li> Aggiungere 300 mL del contenuto del contenitore Una al recipiente interno cilindrico (vedi Fig. 2). </li><li> Immergere la spugna della barca di galleggiamento nel liquido dal contenitore B. NOTA: Dopo (2.1.6.2) la procedura è sensibile al tempo, in modo da non eseguire eventuali ulteriori passi finché tutto il magnete e l&#39;illuminazione, registrazione e meccanismi meccanici sono pronti. </li><li> Sollevare la barca flottazione dal contenitore B e, quando ha smesso gocciolante, accuratamente posizionare la barca flottazione sopra dello strato di liquido denso nel serbatoio cilindrico interno. </li><li> Iniziare aggiungere fluido leggero strato dal contenitore B alla barca flottazione con un flusso di3 mL / min. Aumentare gradualmente tale portata come la barca flottazione solleva dalla interfaccia tra i due strati. Mantenere una velocità abbastanza lento flusso che l&#39;interfaccia non è disturbato dalla maggiore quantità di moto del flusso di fluido, ma abbastanza veloce che questo processo non richiede più di 20 min. Mantenere il riempimento finché lo strato superiore contiene 320 ml di liquido. NOTA: Lo strato inferiore sarà ad una profondità di circa 33 mm, e lo strato superiore sarà ad una profondità di circa 39 mm. </li><li> con cura il coperchio lucite nello strato superiore in modo che la profondità di strato di ciascuno strato sono uguali. Consenti fluido e l&#39;aria di fluire attraverso i fori di sfiato, assicurando che l&#39;aria è intrappolato sotto. Osservare uno strato (circa. 6 mm) di liquido chiaro leggero strato sulla parte superiore del coperchio lucite. NOTA: Se il processo ha avuto successo ci saranno due strati di liquido di parità di profondità, con una forte interfaccia tra di loro. Lo spessore dello strato di diffusione all&#39;interfaccia sarà inferiore a 2 mm in questa fase. </li></ol></li><li> Riempire il serbatoio esterno con acqua distillata chiaro a un&#39;altezza di 6 mm sopra il coperchio lucite del serbatoio interno. Osservando square-on non ci sarà parallasse curvatura indotta risultante dal serbatoio cilindrico interno. NOTA: Dal momento che i liquidi in ogni strato sono continuamente diffondendo attraverso l&#39;interfaccia a questo punto, procedere immediatamente la seguente procedura. </li></ol></li><li> Spin-up della stratificazione <ol><li> Posizionare il serbatoio sperimentale sulla piattaforma. </li><li> Posizionare la disposizione con il cilindro di rame nel foro del magnete, l&#39;albero di trasmissione attraverso l&#39;orifizio serratura in pista e il perno di tenuta in posizione. Assicurarsi che il serbatoio è lontano (60 cm) dal magnete tale che le forze magnetiche sui liquidi sono trascurabili in questa posizione. NOTA: Portare il serbatoio sperimentale contenente la stratificazione presenta poche difficoltà; lunga, bassa ampiezza, onde sloshing istituiti camminando con °e serbatoio decadrà distanza, con effetto trascurabile sulla qualità dell&#39;interfaccia ottenuto quando galleggiante strato superiore sul. </li><li> Accendere il motore, aumentando la velocità di rotazione a 0.002 rad s -2, filatura-up il fluido alla velocità di rotazione desiderata. Per i tassi di rotazione in 16 il tempo di spin-up è stato dell&#39;ordine di 20 min - 60 min. NOTA: La velocità di rotazione più veloce utilizzato è stato del 13,2 rad s -1. </li></ol></li></ol> 3. Esecuzione di Experiment <ol><li> Assicurarsi che il magnete indica un&#39;intensità di campo di 1,2 T, e che alla altezza alla quale viene iniziata l&#39;instabilità del gradiente di campo è (grad B 2) / 2 = -14.3 T 2 m -1, dove B è l&#39;induzione magnetica . </li><li> Assicurarsi che la videocamera è disposto in modo che quando l&#39;albero motore è nella sua posizione più bassa sia la vista laterale dell&#39;esperimento è a fuoco, e una vista in pianta è a fuoco attraverso un pl specchioaced sopra l&#39;esperimento. </li><li> Assicurarsi che la luce nell&#39;ambiente è al giusto livello, in modo tale che nessuno dei immagine catturata dalla telecamera è saturo, ma che la risposta completa è usato (intensità in scala di grigi nel range 0-255). </li><li> Iniziare la registrazione video (240 fps). Utilizzare un telecomando per evitare che muovere la fotocamera durante l&#39;utilizzo la funzione di registrazione. </li><li> Rimuovere il perno di tenuta, consentendo il serbatoio di scendere, durante la rotazione, nel campo magnetico. </li></ol> 4. Ripristino Experiment <ol><li> Ripristina rig sperimentale <ol><li> Utilizzare il telecomando per fermare la registrazione video. </li><li> Salvare il file del filmato su disco. </li><li> A mano, abbassare la tensione al motore in modo che esso rallenta fino all&#39;arresto. Eseguire questa gradualmente in modo da evitare fuoriuscite. </li><li> Rimuovere dispositivo sperimentale dal magnete. </li><li> Smaltire gli strati liquidi misti in modo appropriato (vedi Manganese cloruro Tetraidrato SDS). </li><li> Sciacquare il serbatoio con acqua (ènon deve essere distillata), fino a quando tutte le tracce di sali sono stati lavati via. Evitare il contatto diretto della pelle con i liquidi. </li><li> Asciugare il serbatoio accuratamente con carta velina per garantire che nessun residuo è lasciato che possono contaminare gli esperimenti successivi. </li></ol></li></ol> Processing 5. Immagine <ol><li> Estrarre le singole immagini da ogni fotogramma di film e salvare in formato lossless .png. Maschera eventuali aree indesiderate di ogni frame, ad esempio la piattaforma o cilindro di rame. </li><li> Calcolare la funzione di auto-correlazione bidimensionale 16 di ogni fotogramma immagine per 2 s dopo l&#39;inizio della instabilità con una Fast Fourier Transform discreta. Registrare il minimo, media e valore massimo della lunghezza d&#39;onda osservata per la velocità di rotazione dell&#39;esperimento e la viscosità degli strati di fluido. </li></ol>

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	<li>Lewis, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+instability+of+liquid+surfaces+when+accelerated+in+a+direction+perpendicular+to+their+planes.+II.">The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II.</a> Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).</li><li>Read, K. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+of+turbulent+mixing+by+Rayleigh-Taylor+instability.">Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability.</a> Physica D. 12, 45-58 (1984).</li><li>Dimonte, G., Schneider, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbulent+Rayleigh-Taylor+instability+experiments+with+variable+acceleration.">Turbulent Rayleigh-Taylor instability experiments with variable acceleration.</a> Phys. Rev. E. 54, 3740-3743 (1996).</li><li>Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+instability+:+experiments+with+image+analysis.">Rayleigh-Taylor instability : experiments with image analysis.</a> Dyn. Atmos. Oceans. 20, 127-153 (1993).</li><li>Jacobs, J. W., Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+instability+in+complex+stratifications.">Rayleigh-Taylor instability in complex stratifications.</a> J. Fluid Mech. 542, 251-279 (2005).</li><li>Linden, P. F., Redondo, J. M., Youngs, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mixing+in+Rayleigh-Taylor+instability.">Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability.</a> J. 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E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravitational+instabilities+of+thin+liquid+layers:+dynamics+of+pattern+selection.">Gravitational instabilities of thin liquid layers: dynamics of pattern selection.</a> Physica D. 61, 166-182 (1992).</li><li>Gelfand, J. D., Slane, P. O., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Dynamical+Model+for+the+Evolution+of+a+Pulsar+Wind+Nebula+Inside+a+Nonradiative+Supernova+Remnant.">A Dynamical Model for the Evolution of a Pulsar Wind Nebula Inside a Nonradiative Supernova Remnant.</a> Astrophys. J. 703, 2051-2067 (2009).</li><li>Taylor, G. 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Soc., A. 93, 99-113 (1917).</li><li>Carl&#232;s, P., Huang, Z., Carbone, G., Rosenblatt, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+Instability+for+Immiscible+Fluids+of+Arbitrary+Viscosities:+A+Magnetic+Levitation+Investigation+and+Theoretical+Model.">Rayleigh-Taylor Instability for Immiscible Fluids of Arbitrary Viscosities: A Magnetic Levitation Investigation and Theoretical Model.</a> Phys. Rev. Lett. 96, 104501 (2006).</li><li>Huang, Z., De Luca, A., Atherton, T. J., Bird, M., Rosenblatt, C., Carl&#232;s, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+Instability+Experiments+with+Precise+and+Arbitrary+Control+of+the+Initial+Interface+Shape.">Rayleigh-Taylor Instability Experiments with Precise and Arbitrary Control of the Initial Interface Shape.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 204502 (2007).</li><li>Baldwin, K. A., Scase, M. M., Hill, R. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Inhibition+of+the+Rayleigh-Taylor+Instability+by+Rotation.">The Inhibition of the Rayleigh-Taylor Instability by Rotation.</a> Sci. Rep. 5, 11706 (2015).</li><li>Rossby, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+of+B&#233;nard+convection+with+and+without+rotation.">A study of B&#233;nard convection with and without rotation.</a> J. Fluid Mech. 36, 309-335 (1969).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ci sono due fasi critiche all&#39;interno del protocollo. Il primo è 2.1.6.4. Se il livello di luce è flottato sullo strato denso troppo rapidamente poi miscelazione irreversibile dei due strati fluidi miscibili avviene. È essenziale che questo sia evitata e che si ottiene un netto (&lt;2 mm) interfaccia tra i due strati. Il secondo passo fondamentale è 3.1.5. Se l&#39;esperimento viene rilasciato verso il magnete senza essere pienamente spun-up in rotazione corpo solido o senza l&#39;apparato di cattura e visualizz...

<html> Un sistema fluido densità stratificato costituito da due strati può essere organizzato in un campo gravitazionale sia in una stabile o una configurazione instabile. Se lo strato pesante denso base della meno densa, strato chiaro allora il sistema è stabile: perturbazioni all&#39;interfaccia sono stabili, restaurata per gravità, e le onde può essere supportato sull&#39;interfaccia. Se lo strato pesante sovrappone alla leggero strato allora il sistema è instabile e perturbazioni al crescere interfaccia. Questa instabilità fluido fondamentale è l&#39;instabilità di Rayleigh-Taylor 7, 8. Esattamente la stessa instabilità può osservare in sistemi non rotanti che sono accelerati verso lo strato più pesante. A causa della natura fondamentale dell&#39;instabilità si osserva in molti flussi che variano notevolmente in scala: da artigianale film sottile fenomeni 9 a funzioni di scala astrofisici osservate in, per esempio, la nebulosa crabef &quot;&gt; 10, in cui si osservano strutture simili a dita, creato da venti pulsar essere accelerato attraverso più dense resti di supernova. Si tratta di una questione aperta di come l&#39;instabilità di Rayleigh-Taylor può essere controllato o influenzato una volta la differenza iniziale di densità instabile è stata stabilito a un&#39;interfaccia. una possibilità è quella di considerare la rotazione grosso del sistema. lo scopo degli esperimenti è di investigare l&#39;effetto della rotazione del sistema, e se questo può essere un percorso di stabilizzazione. Consideriamo un sistema fluido che consiste di due strati stratificazione gravitazionalmente instabile che è soggetto a rotazione costante attorno ad un asse parallelo alla direzione della gravità. Una perturbazione a un instabile stratificazione di densità a due strati porta alla generazione baroclinic di vorticità, cioè, rovesciando, all&#39;interfaccia, tendente a rottura, eventuali strutture verticali. Tuttavia, un fluido rotante si caratterizza per organizzarsi in coerente st verticaleructures allineati con l&#39;asse di rotazione, i cosiddetti &#39;Taylor colonne&#39; 11. Quindi il sistema in esame subisce concorrenza tra l&#39;effetto stabilizzante della rotazione, che organizza il flusso in strutture verticali e prevenire i due strati rovesciamento, e l&#39;effetto destabilizzante del fluido più denso sovrastante il fluido più leggero che genera un movimento di ribaltamento all&#39;interfaccia . Con l&#39;aumento della velocità di rotazione della capacità degli strati fluidi di muoversi radialmente, con senso opposto tra loro, al fine di riorganizzare stessi in una configurazione più stabile, è sempre più inibita dal teorema Taylor-Proudman 12, 13: il movimento radiale è ridotto e le strutture osservate che si materializzano come l&#39;instabilità si sviluppa sono più piccoli in scala. Figura. 1 mostra qualitativamente l&#39;effetto della rotazione sui vortici che si formano come l&#39;instabilità sviluppa. Nelimmagine sinistra vi è alcuna rotazione e il flusso è un&#39;approssimazione classica instabilità antirotazione Rayleigh-Taylor. Nell&#39;immagine mano destra tutti i parametri sperimentali sono identici all&#39;immagine sinistra tranne che il sistema viene ruotato attorno ad un asse verticale allineato con il centro della vasca. Si può notare che l&#39;effetto della rotazione è di ridurre la dimensione dei vortici che si formano. Questo, a sua volta, si traduce in una instabilità che si sviluppa più lentamente rispetto alla controparte non rotante. Gli effetti magnetici che modificano il tensore nel fluido possono essere considerati agisce nello stesso modo di un campo gravitazionale modificato. Siamo quindi in grado di creare una stratificazione gravitazionalmente stabile e spin fino in rotazione corpo solido. Le forze corpo magnetici generati imponendo il gradiente di campo magnetico poi mimare l&#39;effetto di modificare il campo gravitazionale. Questo rende l&#39;interfaccia instabile tale che il fluido di sistema behaVes, con buona approssimazione, come classica instabilità Rayleigh-Taylor in rotazione. Questo approccio è stato tentato in precedenza in due dimensioni senza rotazione 14, 15. Per un gradiente di campo magnetico applicato con indotta campo magnetico B, la forza del corpo applicata ad un fluido di magnetico costante χ volume di sensibilità è data da f = grad (χ B 2 / μ 0), dove B = | B | e μ 0 = 4π × 10 -7 NA -2 è la permeabilità magnetica di spazio libero. Possiamo quindi considerare il magnete di manipolare il peso effettivo di ogni strato di fluido, in cui il peso effettivo per unità di volume di un fluido di ρ densità in un campo gravitazionale di forza g è data da ρ g - χ (∂ B 2 / ∂ z ) / (2 μ 0).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="696">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Blue water tracing dye</td>
			<td style="width:195px;">Cole-Parmer</td>
			<td style="width:119px;">00295-18</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Red water tracing dye</td>
			<td style="width:195px;">Cole-Parmer</td>
			<td style="width:119px;">00295-16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sodium Chloride</td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>&#62;99% purity</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Manganese Chloride Tetrahydrate</td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>See MSDS</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Fluorescein sodium salt&#160;</td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Magnet</td>
			<td style="width:195px;">Cryogenic Ltd. London</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability

Tecniche classiche per investigare l&#39;instabilità di Rayleigh-Taylor includono l&#39;utilizzo di gas compressi 1, rocketry 2 o motori elettrici lineari 3 per invertire la direzione d&#39;azione della gravità, e accelerare il fluido più leggero verso il fluido più denso. Altri autori ad esempio, 4, 5, 6 sono separate una stratificazione gravitazionalmente instabile con una barriera che viene rimosso per avviare il flusso. Tuttavia, l&#39;interfaccia iniziale parabolica nel caso di una stratificazione rotante impone notevoli difficoltà tecniche sperimentalmente. Vogliamo essere in grado di spin-up la stratificazione in rotazione solid-body e solo allora avviare il flusso al fine di indagare gli effetti della rotazione su l&#39;instabilità di Rayleigh-Taylor. L&#39;approccio che abbiamo adottato è quello di utilizzare il campo magneticoun magnete superconduttore per manipolare il peso effettivo dei due liquidi di avviare il flusso. Creiamo un gravitazionalmente stabile stratificazione a due strati con tecniche di flottazione standard. Lo strato superiore è meno denso del livello inferiore e quindi il sistema è Rayleigh-Taylor stabile. Questa stratificazione viene poi filata-entro due strati sono in rotazione corpo solido e si osserva una interfaccia parabolica. Questi esperimenti utilizzano fluidi a bassa suscettibilità magnetica, | χ | ~ 10 -6 - 10 -5, rispetto ad un ferrofluidi. L&#39;effetto dominante del campo magnetico applicato un corpo-forza per ogni strato cambiando il peso effettivo. Lo strato superiore è debolmente paramagnetico mentre lo strato inferiore è debolmente diamagnetico. Quando il campo magnetico viene applicato, lo strato inferiore viene respinto dal magnete mentre lo strato superiore viene attratto verso il magnete. Una instabilità Rayleigh-Taylor è ottenuta con l&#39;applicazione di un campo magnetico elevato gradiente. Abbiamo osservato, inoltre, che increasing la viscosità dinamica del fluido in ciascuno strato, aumenta la lunghezza scala dell&#39;instabilità.

Figura. 4 mostra lo sviluppo dell&#39;instabilità Rayleigh-Taylor all&#39;interfaccia tra i due fluidi, per quattro differenti tassi di rotazione: Ω = 1.89 rad s -1 (riga superiore), Ω = 3.32 rad s -1, Ω = 4,68 rad s - 1, e Ω = 8,74 rad s -1 (riga in basso). L&#39;interfaccia è mostrata in evoluzione nel tempo da t = 0 s (colonna di sinistra), con incrementi di 0,5 s a t = 3,0 s (colonna di destra). La colonna di...

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Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

We present a protocol for preparing a two-layer density-stratified liquid that can be spun-up into solid body rotation and subsequently induced into Rayleigh-Taylor instability by applying a gradient magnetic field.

Indotta magneticamente rotante di Rayleigh-Taylor instabilità

Classical techniques for investigating the Rayleigh-Taylor instability include using compressed gasses1, rocketry2 or linear electric motors3 to reverse ...

magnetically-induced-rotating-rayleigh-taylor-instability

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Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses

Early plasma is generated owing to high intensity laser irradiation of target and the subsequent target material ionization. Its dynamics plays a significant role in laser-material interaction, especially in the air environment1-11.
Early plasma evolution has been captured through pump-probe shadowgraphy1-3 and interferometry1,4-7. However, the studied time frames and applied laser parameter ranges are limited. For example, direct examinations of plasma front locations and electron number densities within a delay time of 100 picosecond (ps) with respect to the laser pulse peak are still very few, especially for the ultrashort pulse of a duration around 100 femtosecond (fs) and a low power density around 1014 W/cm2. Early plasma generated under these conditions has only been captured recently with high temporal and spatial resolutions12. The detailed setup strategy and procedures of this high precision measurement will be illustrated in this paper. The rationale of the measurement is optical pump-probe shadowgraphy: one ultrashort laser pulse is split to a pump pulse and a probe pulse, while the delay time between them can be adjusted by changing their beam path lengths. The pump pulse ablates the target and generates the early plasma, and the probe pulse propagates through the plasma region and detects the non-uniformity of electron number density. In addition, animations are generated using the calculated results from the simulation model of Ref. 12 to illustrate the plasma formation and evolution with a very high resolution (0.04 ~ 1 ps).
Both the experimental method and the simulation method can be applied to a broad range of time frames and laser parameters. These methods can be used to examine the early plasma generated not only from metals, but also from semiconductors and insulators.

An experimental method to examine the early plasma evolution induced by ultrashort laser pulses is described. Using this method, high quality images of early plasma are obtained with high temporal and spatial resolutions. A novel integrated atomistic model is used to simulate and explain the mechanisms of early plasma.

Indagine su Evolution Plasma precoce indotta da impulsi laser ultracorti

Early plasma is generated owing to high intensity laser irradiation of target and the subsequent target material ionization. Its dynamics plays a ...

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Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) performed on thin sections of rodent tissues: kidneys and tumor, allows the detection of inorganic elements such as (i) Na, Ca, Cu, Mg, P, and Fe, naturally present in the body and (ii) Si and Gd, detected after the injection of gadolinium-based nanoparticles. The animals were euthanized 1&#160;to 24 hr&#160;after intravenous injection of particles. A two-dimensional scan of the sample, performed using a motorized micrometric 3D-stage, allowed the infrared laser beam exploring the surface with a lateral resolution less than 100 &#956;m. Quantitative chemical images of Gd element inside the organ were obtained with sub-mM sensitivity. LIBS offers a simple and robust method to study the distribution of inorganic materials without any specific labeling. Moreover, the compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of the same biological tissue with different types of response:&#160;elemental, molecular, or cellular.

Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle&#039;s Mapping and Quantification in Organ Tissue

Laser-induced breakdown spectroscopy performed on thin organ and tumor tissue successfully detected natural elements and artificially injected gadolinium (Gd), issued from Gd-based nanoparticles. Images of chemical elements reached a resolution of 100 &#956;m and quantitative sub-mM sensitivity. The compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of a same biological tissue.

Spettroscopia Laser-Induced Breakdown: un nuovo approccio per la mappatura di nanoparticelle e la quantificazione in Tissue Organ

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) ...

Laser-induced Forward Transfer for Flip-chip Packaging of Single Dies

Flip-chip (FC) packaging is a key technology for realizing high performance, ultra-miniaturized and high-density circuits in the micro-electronics industry. In this technique the chip and/or the substrate is bumped and the two are bonded via these conductive bumps. Many bumping techniques have been developed and intensively investigated since the introduction of the FC technology in 19601 such as stencil printing, stud bumping, evaporation and electroless/electroplating2. Despite the progress that these methods have made they all suffer from one or more than one drawbacks that need to be addressed such as cost, complex processing steps, high processing temperatures, manufacturing time and most importantly the lack of flexibility. In this paper, we demonstrate a simple and cost-effective laser-based bump forming technique known as Laser-induced Forward Transfer (LIFT)3. Using the LIFT technique a wide range of bump materials can be printed in a single-step with great flexibility, high speed and accuracy at RT. In addition, LIFT enables the bumping and bonding down to chip-scale, which is critical for fabricating ultra-miniature circuitry.

We demonstrate the use of the Laser-induced Forward Transfer (LIFT) technique for flip-chip assembly of optoelectronic components. This approach provides a simple, cost-effective, low-temperature, fast and flexible solution for fine-pitch bumping and bonding on chip-scale for achieving high-density circuits for optoelectronic applications.

Laser-indotta Transfer Forward per Flip-chip Packaging di Dies Singolo

Flip-chip (FC) packaging is a key technology for realizing high performance, ultra-miniaturized and high-density circuits in the micro-electronics ...

Visible-light Induced Reduction of Graphene Oxide Using Plasmonic Nanoparticle

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using visible light irradiation with plasmonic nanoparticles. The plasmonic nanoparticle is used to improve the reduction efficiency of GO. It only takes 30 min&#160;at RT by illuminating the solutions with Xe-lamp, the r-GO solutions can be obtained by completely removing gold nanoparticles through simple centrifugation step. The spherical gold nanoparticles (AuNPs) as compared to the other nanostructures is the most suitable plasmonic nanostructure for r-GO preparation. The reduced graphene oxide prepared using visible light and AuNPs was equally qualitative as chemically reduced graphene oxide, which was supported by various analytical techniques such as UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy, powder XRD and XPS. The reduced graphene oxide prepared with visible light shows excellent quenching properties over the fluorescent molecules modified on ssDNA and excellent fluorescence recovery for target DNA detection. The r-GO prepared by recycled AuNPs is found to be of same quality with that of chemically reduced r-GO. The use of visible light with plasmonic nanoparticle demonstrates the good alternative method for r-GO synthesis.

A simple protocol for the preparation of reduced graphene oxide using visible light and plasmonic nanoparticle is described.

Luce visibile riduzione indotta di grafene ossido Usando nanoparticelle plasmoniche

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using ...

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With designs governed by the dynamic performance under human-induced loads, a strong demand exists for the verification and refinement of currently available load models. The present contribution uses a 3D inertial motion tracking technique for the characterization of the in-field pedestrian behavior. The technique is first tested in laboratory experiments with simultaneous registration of the corresponding ground reaction forces. The experiments include walking persons as well as rhythmical human activities such as jumping and bobbing. It is shown that the registered motion allows for the identification of the time variant pacing rate of the activity. Together with the weight of the person and the application of generalized force models available in literature, the identified time-variant pacing rate allows to characterize the human-induced loads. In addition, time synchronization among the wireless motion trackers allows identifying the synchronization rate among the participants. Subsequently, the technique is used on a real footbridge where both the motion of the persons and the induced structural vibrations are registered. It is shown how the characterized in-field pedestrian behavior can be applied to simulate the induced structural response. It is demonstrated that the in situ identified pacing rate and synchronization rate constitute an essential input for the simulation and verification of the human-induced loads. The main potential applications of the proposed methodology are the estimation of human-structure interaction phenomena and the development of suitable models for the correlation among pedestrians in real traffic conditions.

A protocol is presented for the characterization of the in-field pedestrian behavior and the simulation of the resulting structural response. Field-tests demonstrate that the in situ identified pacing rate and synchronization rate among the participants constitute an essential input for the simulation and verification of the human-induced loads.

Simulazione di vibrazioni indotte dall&#39;uomo Sulla base della caratterizzato campo pedonale Comportamento

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of these processes such as inkjet3 and laser-induced forward transfer (LIFT)4 have become increasingly popular as interest in printable electronics and maskless patterning has grown. These additive manufacturing processes are inexpensive, environmentally friendly, and well suited for rapid prototyping, when compared to more traditional semiconductor processing techniques. While most direct-write processes are confined to two-dimensional structures and cannot handle materials with high viscosity (particularly inkjet), LIFT can transcend both constraints if performed properly. Congruent transfer of three dimensional pixels (called voxels), also referred to as laser decal transfer (LDT)5-9, has recently been demonstrated with the LIFT technique using highly viscous Ag nanopastes to fabricate freestanding interconnects, complex voxel shapes, and high-aspect-ratio structures. In this paper, we demonstrate a simple yet versatile process for fabricating a variety of micro- and macroscale Ag structures. Structures include simple shapes for patterning electrical contacts, bridging and cantilever structures, high-aspect-ratio structures, and single-shot, large area transfers using a commercial digital micromirror device (DMD) chip.

We demonstrate the use of the Laser-induced forward transfer technique (LIFT) for the printing of high-viscosity Ag paste. This technique offers a simple, low temperature, robust process for non-lithographically printing microscale 2D and 3D structures.

Indotta da laser trasferimento di andata di Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of ...

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using femtosecond laser-induced ablation. We show that thousands of periodic nano-craters are fabricated on an optical nanofiber by irradiating with just a single femtosecond laser pulse. For a typical sample, periodic nano-craters with a period of 350 nm and with diameter gradually varying from 50 - 250 nm over a length of 1 mm are fabricated on a nanofiber with diameter around 450 - 550 nm. A key aspect of such a nanofabrication is that the nanofiber itself acts as a cylindrical lens and focuses the femtosecond laser beam on its shadow surface. Moreover, the single-shot fabrication makes it immune to mechanical instabilities and other fabrication imperfections. Such periodic nano-craters on nanofiber, act as a 1-D PhC and enable strong and broadband reflection while maintaining the high transmission out of the stopband. We also present a method to control the profile of the nano-crater array to fabricate apodized and defect-induced PhC cavities on the nanofiber. The strong confinement of the field, both transverse and longitudinal, in the nanofiber-based PhC cavities and the efficient integration to the fiber networks, may open new possibilities for nanophotonic applications and quantum information science.

We present a protocol for fabricating 1-D photonic crystal cavities on subwavelength diameter silica fibers (optical nanofibers) using femtosecond laser-induced ablation.

Fabbricazione di 1-D Photonic cristallo cavità su una nanofibre Utilizzando ablazione laser a femtosecondi-indotta

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous light irradiation. The photo-excitation of dopants that can quickly dissipate light into heat, coupled with anisotropic thermal expansion and self-shadowing of the film, gives rise to the self-sustained deformation. The oscillations observed are influenced by the dimensions and the modulus of the film, and by the directionality and intensity of the light. The system developed offers applications in energy conversion and harvesting for soft-robotics and automated systems.
The general method described here consists of creating free-standing liquid crystalline films and characterizing the mechanical and thermal effects observed. The molecular alignment is achieved using alignment layers (rubbed polyimide), commonly used in the display manufacturing industry. To obtain actuators with large deformation, the mesogens are aligned and polymerized in a splay/bend configuration, i.e., with the director of the liquid crystals (LCs) going gradually from planar to homeotropic through the film thickness. Upon irradiation, the mechanical and thermal oscillations obtained are monitored with a high-speed camera. The results are further quantified by image analysis using an image processing program.

The goal of the protocol is to create liquid crystalline polymer films that can mechanically oscillate under continuous light irradiation. We describe in great detail the conception of free-standing films, from the liquid crystal alignment method to the photo-actuation. The experimental protocol applied to prepare this material is broadly applicable.

Preparazione delle reti di cristalli liquidi per moto oscillatorio macroscopica indotta da luce

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Fabrication Procedures and Birefringence Measurements for Designing Magnetically Responsive Lanthanide Ion Chelating Phospholipid Assemblies

Bicelles are tunable disk-like polymolecular assemblies formed from a large variety of lipid mixtures. Applications range from membrane protein structural studies by nuclear magnetic resonance (NMR) to nanotechnological developments including the formation of optically active and magnetically switchable gels. Such technologies require high control of the assembly size, magnetic response and thermal resistance. Mixtures of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) and its lanthanide ion (Ln3+) chelating phospholipid conjugate, 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phospho-ethanolamine-diethylene triaminepentaacetate (DMPE-DTPA), assemble into highly magnetically responsive assemblies such as DMPC/DMPE-DTPA/Ln3+ (molar ratio 4:1:1) bicelles. Introduction of cholesterol (Chol-OH) and steroid derivatives in the bilayer results in another set of assemblies offering unique physico-chemical properties. For a given lipid composition, the magnetic alignability is proportional to the bicelle size. The complexation of Ln3+ results in unprecedented magnetic responses in terms of both magnitude and alignment direction. The thermo-reversible collapse of the disk-like structures into vesicles upon heating allows tailoring of the assemblies&#39; dimensions by extrusion through membrane filters with defined pore sizes. The magnetically alignable bicelles are regenerated by cooling to 5 &#176;C, resulting in assembly dimensions defined by the vesicle precursors. Herein, this fabrication procedure is explained and the magnetic alignability of the assemblies is quantified by birefringence measurements under a 5.5 T magnetic field. The birefringence signal, originating from the phospholipid bilayer, further enables monitoring of polymolecular changes occurring in the bilayer. This simple technique is complementary to NMR experiments that are commonly employed to characterize bicelles.

Fabrication procedures for highly magnetically responsive lanthanide ion chelating polymolecular assemblies are presented. The magnetic response is dictated by the assembly size, which is tailored by extrusion through nanopore membranes. The assemblies&#39; magnetic alignability and temperature-induced structural changes are monitored by birefringence measurements, a complimentary technique to nuclear magnetic resonance and small angle neutron scattering.

Procedure di fabbricazione e birifrangenza misurazioni per la progettazione di ioni lantanidi magneticamente reattivo chelanti del fosfolipide assembly

Bicelles are tunable disk-like polymolecular assemblies formed from a large variety of lipid mixtures. Applications range from membrane protein structural ...

Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that characterize the transport phenomena in a rotating channel are identified via the parametric analysis of the momentum and energy equations referring to a rotating frame of reference. Based on these dimensionless flow equations, an experimental strategy that links the design of the test module, the experimental program and the data analysis is formulated with the attempt to reveal the isolated Coriolis-force and buoyancy effects on heat transfer performances. The effects of Coriolis force and rotating buoyancy are illustrated using the selective results measured from rotating channels with various geometries. While the Coriolis-force and rotating-buoyancy impacts share several common features among the various rotating channels, the unique heat transfer signatures are found in association with the flow direction, the channel shape and the arrangement of heat transfer enhancement devices. Regardless of the flow configurations of the rotating channels, the presented experimental method enables the development of physically consistent heat transfer correlations that permit the evaluation of isolated and interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on the heat transfer properties of rotating channels.

Here, we present an experimental method for decoupling the interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on full-field heat transfer distributions of a rotating channel.

Disgiungere forza di Coriolis e rotante galleggiabilità effetti sul calore pieno campo il trasferimento di proprietà di un canale rotante

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...