The authors thank the Deutsches Zentrum f&#252;r Luft- und Raumfahrt (DLR), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), and the TU Braunschweig for continual support of our laboratory activities. The low-velocity drop tower has been established under DLR grant 50WM0936, the high-velocity drop tower has been developed under DFG grant INST 186/959-1 as part of the CRC 963 &#8220;Astrophysical Flow Instabilities and Turbulence&#8221;.

DİKKAT: tekabül Güvenlik Bilgi Formları bulunabilir kullanılan parçacıkların Zararlılık bağlı olarak, ağız koruma ve güvenlik dişli toz ile çalışan kişi tarafından giyilmelidir. Ayrıca ortam hava tozsuz tutmak için bir emme sistemi kullanmak için tavsiye edilir. Cm boy Toz Agrega Örnekleri 1. Hazırlanması <ol><li> M gerektirdiği malzeme miktarını hesaplayın = Φ ρ m gerekli kütlesi 0 V, Φ (= 1 hacim doldurma faktörü - gözenekliliği) istenen hacim doldurma faktörü, ρ 0 malzemenin yoğunluğu ve V hacimdir Numunenin. Düzensiz silikat toz 77 g (ρ 0 = 2,6 g / cm 3), sırasıyla, 5 cm çap ve yükseklik silindirik bir örnek için% 70 örnek bir gözenekliliğe (hacim doldurma faktörü = 0.3) elde etmek için gereklidir. Not: karasal pla oluşmasıağırlıklı olarak silikat oluşan - - cm büyüklüğünde gözenekli organları içine ağları mikrometre büyüklüğünde toz taneciklerinin koagülasyon ile başlar. İyi çalışılmış ve uygun laboratuar analog madde (bkz. Tablo teorik model için daha karşılaştırılabilirlik için Tek dağılımlı küresel taneler formunda hem de 0.5 ila 10 um arasında değişen bir boyut dağılımına sahip düzensiz şekilli bir toz olarak kullanılabilir SiO 2 olduğu 1 ve Şekil 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO 2-monomer tahıl türü </td><td style="width:96px;"> Üretici </td><td style="width:119px;"> Partikül çapı </td><td style="width:95px;"> Tane şekli </td><td style="width:100px;"> Örnek rakam </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Monodisperse </td><td> Micromod </td><td> 1.52 ± 0.06 ve# 181; m </td><td> Küresel </td><td> Şekil 1 (sol) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polidispers </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1-10 um </td><td> Düzensiz </td><td> Şekil 1 (sağ) </td></tr></tbody></table> Toz toplam çarpışma deneylerinde kullanılan SiO 2 parçacıkların Tablo 1.. Özellikleri. <img alt="Şekil 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Tek dağılımlı (sol) ve polidispers (sağ) SiO makroskopik toz agrega üretiminde kullanılan 2 parçacıklar Şekil 1.. Elektron-mikroskobu görüntüleri. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">, bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Mikrometre boyutlu SiO 2 partikülleri ile bir kap (Tablo 1 e bakınız) alın ve 0.5 mm&#39;lik bir ağ boyutuna sahip bir elek üzerine içeriğini dökün. Malzemenin yeterli miktarda eleyin ve kalıp içine hesaplanan kütle doldurun. Numune yüksekliğe ulaşana kadar elle bir piston iterek kalıp içinde malzemenin sıkıştırın (örneğin 5 cm). , Piston üzerindeki kalıp etrafında getirin, taban plakası açık ve yavaşça örnek dışarı itme. Not: Örnekler (bkz. Şekil 3) çeşitli şekillerde (küresel ve silindirik), boyut (10 cm ile 1 mm) ve gözenek (60-85%) olarak üretilebilir. Numuneler daha sonra, çarpışma deneylerde tek başına kullanılan ya da daha sonra başka agregatlar ya da kümeleri ile çarpışır kümeler, birleştirilebilir. </li></ol><img alt="Şekil 2," src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Şekil 2.. Fotoğraf. 1 cm, 2 cm, 5 cm çapına (arka sıra), 1 cm toz küreler ve 2 cm çaplı (orta sıra) ile toz silindir ve: toz-Paçal numune boyut ve şekil değişimi aşağıdaki örnekler gösterilmiştir 2-3 mm büyüklüğünde Al 2 O 3 küreler (ön). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">, bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.</a> <ol start="3"><li> Gözeneklilik ve homojenliğe ilişkin örnekleri karakterize eder. Örnekler dışında izin marjları düşersen, yeni örneklerini üretmek. <ol><li> Toz numune gözenekliliğini belirlemek için, kesin bir denge ile boyutları ve kütlesi ölçerek hacmini belirler. </li><li> Homojenlik ve üretilen numunenin gözenek boyutu dağılımı hakkında bilgi elde etmek için X-ışını tomografisi (XRT) 12 kullanın. Not: 5 cm büyüklüğünde toz agrega için, ortalama hacim facto dolduruyor sapmalar bulundur, numunenin kütle yoğunluğu oranına ve örneklerin hacim kütlesi içinde sadece yaklaşık% 1-monomer toz parçacıkları ve imkanı ile hacim doldurma faktörü biraz daha büyük bir artış, yani malzeme yoğunluğunun dış sınırları 12 karşı% 8. Şekil 3, 5 cm çapında ve 5 cm yüksekliğinde ve silindirik bir toz agrega ile kesilmiş bir XRT yeniden gösterir. Biz her toz agrega için XRT kullanabilirsiniz ama rastgele örnekler iç yapısını ve homojenliği incelemek değildir. </li></ol></li></ol><img alt="Şekil 3," src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> 5 cm yüksekliğinde ve XRT analizi sonrasında 5 cm çaplı bir silindirik toz toplam numunenin iç yapısı Şekil 3.. Yeniden düzenlemesi. Gri ton t kütle yoğunluğu oranıdır hacim doldurma faktörü temsil edero örnek ve monomer toz parçacıklarının malzeme yoğunluğu. XRT yeniden itibaren, açıkça bu yüksek gözenekli numune mm boyutlu toz agrega kullanılarak monte edilmiş olduğu görülmektedir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">, bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.</a> Drop Tower Kur&#39;un 2. Prensibi <ol><li> Yayın mekanizmaları: Damla kulesinin üst kısmında iki serbest bırakma mekanizmaları diğerinin üst üste monte edilmiştir. Bunların her biri bir örnek tutan ve serbest düşme içine bırakır. Üst serbest bırakılması ve alt parçacık arasındaki zaman farkı, çarpışmanın göreceli hızını belirler. Morfolojisi ve parçacıkların şekline göre, uygun bir serbest bırakma mekanizmaları seçilir. Bir parçacık hızlandırma mekanizması kullanılırsa, sadece bir serbest bırakma mekanizması gereklidir. <ol><li> Parçacık-on-a-string serbest bırakma mekanizması (küresel örnekleri, upper parçacık): Bu serbest bırakma mekanizması doğrusal selenoid mıknatıs ve sağlam metal karşı parça oluşur. <ol><li> Bir dize tahliye edilecek parçacık takın. Solenoid mıknatıs ve katı metal karşı parça arasına sıkıştırma ile yerinde dize tutun. </li><li> , Parçacık serbest solenoid mıknatıs için bir elektrik akımı uygulanır (Film 1 e bakınız) katılmıştır. </li></ol></li><li> Trap-kapak açma mekanizması (küresel örnekleri, alt tanecik): Bu serbest bırakma mekanizması bir parçacık tutucu bağlı olduğu için döner solenoid mıknatıs oluşur. <ol><li> Bir elektrik akımı (Film 1 e bakınız) uygulandığında döner bir solenoit tarafından aşağı doğru döndürülen bir yarı küresel kalıp içine, parçacık yerleştirin. </li><li> Bu mekanizma aynı zamanda parçacık kümeleri veya toplam topaklar serbest bırakılması için kullanılabilir. Bu son durumda, (Film 2 &#39;ye bakınız), birbirleri üzerine iki kapan kapak açma mekanizması monte edin. </li></ol&gt; </li><li> Makas tipi çift salma mekanizması (silindirik örnek): Bu serbest bırakma mekanizması bir metal çubuk bağlı olduğu için döner solenoid mıknatıs iki çift oluşur. Her bir serbest bırakma mekanizması iki solenoid mıknatıs iki metal çubuklar paralel olacak şekilde yerleştirilir. <ol><li> Her iki paralel çubukların üzerine iki numune yerleştirin. </li><li> Serbest düşüşe parçacıkları serbest bırakmak için iki dönme solenoidlere bir elektrik akımı uygulanır. (Film 3&#39;e bakınız). </li></ol></li><li> (Parçacık hızlandırma mekanizması ile birlikte silindirik numuneler) Çift kanat trap-kapak açma mekanizması: Bu serbest bırakma mekanizması birlikte bir v-şeklinde bir parçacık tutucu oluşturan iki yaylı metal plakalar oluşur. Iki metal plaka bir döner solenoid mıknatıs bağlı bir metal çubuk tarafından yerinde tutulur. <ol><li> Kapalı tuzak kapı üzerine silindirik toz örnek yerleştirin. </li><li> Uygulayarak tuzak-kapı kilidinisolenoid mıknatıs için bir elektrik akımı. Kapı zıplatma geri önlemek için, indüksiyon akımı frenler (Film 4) onları durdurmak. Not: Bu, ilk hız ve dönme olmadan düşüşe parçacıkları serbest bırakmak için çok önemlidir. Bu amaç için çeşitli serbest bırakma mekanizmaları (- 2.1.4 2.1.1) geliştirilmiştir. </li></ol></li></ol></li><li> Parçacık hızlandırma mekanizmaları: Bir önceden yüklenmiş yay ya da bir elektro-manyetik olarak tahrik edilen lineer aşama ya da parçacıkları hızlandırır. Her iki hızlandırıcı farklı şekilli partiküller için numune tutucu ile donatılmış olabilir. </li> <li> Kumanda elektroniği: Zamanlayıcı ayarlayın ve istenilen çarpışma hızını elde etmek için uygun değerlere elektronik bırakın ve bir merkez-kütle çerçeve içinde kamerayı çalıştırmak için. Not: parçacık serbest bırakma, parçacık hızlandırma ve kamera yayın zamanlaması olan işlevselliği M açıklanmıştır elektronik zamanlayıcı, bir dizi ile gerçekleştirilirovie 5. </li></ol> 3.. Gösteri Deneyleri <ol><li> Düşük hız çarpışmalar (küçük düşme kulesi): <ol><li> Makas tipi çift bırakma mekanizması ve yakın vakum cam tüpe yük örnekleri. </li><li> Tahliye başlayın ve zamanlayıcı parametrelerini ayarlamak. </li><li> Manyetik serbest birimlerine kameralar takın. Sürekli kamera kaydı başlatın. Not: pozlama sırasında parçacık hareket ihmal edilebilir ve bunun sonucunda LED parlak-alan aydınlatma yüksek yoğunluğuna, yüksek hızlı kamera yeterince kısa bir etki süresi seçilebilir. Bunun üstüne, kamera hedefi f-stop derinliği odak-açılan kulenin tüm çapa üzerinde genişletmek için yeterince yüksek değerlere ayarlanması gerekir. </li><li> Istenilen vakum kalite ulaşıldığında, aydınlatmasını başlangıç ​​düğmesine basın ve görüntü dizileri indirmek. </li></ol></li><li> Yüksek hız çarpışmalar (büyük düşüş kulesi): <ol><li> Kazan-kazan içine yük örneklerig trap-kapak açma mekanizması ve hızlandırıcı ve vakumlu cam tüp kapatın. </li><li> Tahliye başlayın ve zamanlayıcı parametrelerini ayarlamak. </li><li> Sürekli kamera kaydı başlatın. Istenilen vakum kalite ulaşıldığında, aydınlatma açmak ve start düğmesine basın. Görüntü dizileri indirin. Not: pozlama sırasında parçacık hareket ihmal edilebilir ve bunun sonucunda LED parlak-alan aydınlatma yüksek yoğunluğuna, yüksek hızlı kamera yeterince kısa bir etki süresi seçilebilir. Bunun üstüne, kamera hedefi f-stop derinliği odak-açılan kulenin tüm çapa üzerinde genişletmek için yeterince yüksek değerlere ayarlanması gerekir. </li></ol></li></ol> 4. Örnek Deneyler <ol><li> Uygun bırakma mekanizması dikkatlice örnekleri yükleyin. <ol><li> Düşük hızda çarpışmaları (çift salma mekanizması; 0.09 m / sn): zıplayan 5 cm vs 5 cm. İki makas-tipi bırakma mekanizmaları örnekleri yükleyin. Karşı0.09 m / sn çarpışma hızları elde, ayrı parçacıklar 7 mm koyun ve 9 msn bırakma mekanizmaların zamanı ayarlayabilirsiniz. Not: Bu darbe hızı anda, toz örnekleri çarpışmadan sonra birbirlerine kapalı çıkma. Görüntü sırası serbest düşen bir yüksek hızlı kamera (Film 6) tarafından yakalanır. </li> <li> Yüksek hızlı çarpışmalar (elektromanyetik hızlandırıcı; 7.4 m / sn): 2 cm vs 2 cm, parçalanma. Çift kanat trap-kapak açma mekanizması üzerine bir örnek yükleyin; lineer aşamalı hızlandırıcının numune tutucu üzerinde diğer numuneyi. Not: Aynı anda üst toz toplama çökerken, 7.4 m / sn &#39;lik bir çarpışma hızları elde etmek için, alt toz toplama düzgün, 2 g yukarı doğru hızlanır. 7.4 m / sn &#39;lik bir nispi hız olarak, toz numuneleri parçası (film 7). </li> <li> Büyük agrega küçük agrega yüksek hızlı çarpışma: 0.5 cm vs 5 cm, kütle transferi. Yük incibir makas tipi bırakma mekanizması üzerine e büyük örnek; yay hızlandırıcı numune tutucu üzerine küçük örnek bir yer. Not: Aynı anda üst toz toplama düşerken kütle transferi için gerekli çarpışma hızları elde etmek için, daha düşük toz agrega sorunsuz, yukarı doğru hızlanır. Bu göreceli hız olarak, daha küçük bir numune fragmanları ve daha büyük bir numune üzerine transfer kütlesinin küçük bir miktar. Kamera üst (daha büyük) parçacığın boyunca düşer gibi, yüksek hızlı kamera tarafından çekilen görüntüleri dıştan görüldüğü gibi doğru değildir ki, (Film 8) daha fazla veya daha az kalan bir büyük parçacığın izlenimi vermek damla kule. </li></ol></li><li> Vakumlu cam tüp kapatın. </li><li> Dikkatle yavaş tahliye başlar ve istenilen çarpışma hızı için gerekli olan zaman farkı zamanlayıcı parametrelerini ayarlamak için pompalara vakum vanasını açın. </li><li> (Serbest düşme kameralar kullanılıyor ise) onların serbest birimlerine kamera takın.Sürekli kamera kaydı başlatın ve aydınlatma açın. </li><li> Istenilen vakum kalite ulaşıldığında, zamanlayıcı dizisini başlatmak için serbest bırakma düğmesine basın. </li><li> Bir bilgisayara, yüksek hızlı kameralar tarafından kaydedilen görüntü dizileri indirin. </li></ol> 5. Veri Analizi <ol><li> Arka plan ve nesnelerin gri değeri arasında uygun bir eşik gri değerini seçtik. Siyah düşük gri değerleri ile (ikili değeri 1) beyaz ve piksel eşiğin üstünde gri değerine sahip pikselleri ayarlayarak bu eşiğe dayalı ikili bir görüntü oluşturun (ikili değer 0). </li><li> Görüntülerin her bir kütle bir parçacık merkezinin konumunu belirler. Simetrik partiküller için kütle merkezini belirlemek için iyi bir yaklaşım yansıtılmış alanının merkezidir. Bu ikilileştirilmiş görüntüleri hesaplanır. </li><li> Hesaplamak için kamera görüntülerden kütle nesnelerin merkezlerin göreli konumunu ve zaman bilgileri kullanınbağıl hız (Film 9 bakınız). Pozisyon eğrisinin yamaçları Film 9 el-sağ tarafında gösterilir. <ol><li> Bir ribaund çarpışma durumunda, bağıl hızları önce ve temas ettikten sonra belirler. Önce, çarpışma ve sonra hız oranı, yani iade katsayısını hesaplayın. Iadesi katsayısı karşı göreceli hızını çiziniz. Bu analizin bir örneği Şekil 4&#39;te gösterilmektedir. </li></ol></li></ol><img alt="Şekil 4," fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> Çarpışmalar sıçrayan analizinin Şekil 4.. Örneği. Iade katsayısı, geri tepme hızı ve etki hızının oranı, yani, çarpışma hızının bir fonksiyonu olarak çizilir. Daireler 2 cm Diame küresel toz agrega için veri göstermekter 13 (bkz. Şekil 2), üçgenler, 5 cm çapında ve 5 cm yüksekliğinde plastik bir silindir toz agregatları karışmasını ifade etmektedir (bkz. Şekil 2) ve 0.3 ve 0.4 arasında, iki farklı ses dolgu faktörleri, sırasıyla 12. Veri artan darbe hızı ile restitüsyon katsayısı azalan bir eğilim göstermektedir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">, bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.</a> <ol start="2"><li> Bir veya her iki parçası partiküller, bunların ilgili öngörülen alanların ölçülmesi ve uygun şekillere sahip ile mümkün olduğunca büyük fragmanların gibi birçok boyutlarını belirler. <ol><li> Tek bir parçacık içinde parçalanma oluşursa, bu, genellikle kalan parçacık kütlesinin bir miktar aktarır. Kitle transfeksiyonunun ölçmek için uygun bir şekil ve gözenekliliği varsayıldığında, yığışım hacmini ölçerek transfer kütle miktarının belirlenmesir verimlilik. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Blum, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Growth+Mechanisms+of+Macroscopic+Bodies+in+Protoplanetary+Disks.">The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).</li><li>Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Multifaceted+Planetesimal+Formation+Process.">The Multifaceted Planetesimal Formation Process.</a> Protostars &amp; Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li><li>Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+outcome+of+protoplanetary+dust+growth:+pebbles,+boulders,+or+planetesimals?+I.+Mapping+the+zoo+of+laboratory+collision+experiments.">The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments.</a> Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).</li><li>Zsom, A., Ormel, C. W., G&#252;ttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+outcome+of+protoplanetary+dust+growth:+pebbles,+boulders,+or+planetesimals?+II.+Introducing+the+bouncing+barrier.">The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier.</a> Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).</li><li>Testi, L., 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=Dust+Evolution+in+Protoplanetary+Disks.">Dust Evolution in Protoplanetary Disks.</a> Protostars &amp; Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li><li>Youdin, A. N., Goodman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Streaming+Instabilities+in+Protoplanetary+Disks.">Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks.</a> The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).</li><li>Johansen, A., Youdin, A. N., Klahr, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+Clumping+and+Planetesimal+Formation+Depend+Strongly+on+Metallicity.">Particle Clumping and Planetesimal Formation Depend Strongly on Metallicity.</a> The Astrophysical Journal Letters. 704, (2009).</li><li>Bai, X. N., Stone, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+Solids+in+the+Midplane+of+Protoplanetary+Disks:+Implications+for+Planetesimal+Formation.">Dynamics of Solids in the Midplane of Protoplanetary Disks: Implications for Planetesimal Formation.</a> The Astrophysical Journal. 722, 1437-1459 (2010).</li><li>Windmark, F., Birnstiel, T., G&#252;ttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P., Henning, T. h. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Planetesimal+formation+by+sweep-up:+How+the+bouncing+barrier+can+be+beneficial+to+growth.">Planetesimal formation by sweep-up: How the bouncing barrier can be beneficial to growth.</a> Astronomy and Astrophysics. 540, (2012).</li><li>Windmark, F., Birnstiel, T., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breaking+through:+The+effects+of+a+velocity+distribution+on+barriers+to+dust+growth.">Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth.</a> Astronomy and Astrophysics. , 544 (2012).</li><li>Garaud, P., Meru, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Dust+to+Planetesimals:+An+Improved+Model+for+Collisional+Growth+in+Protoplanetary+Disks.">From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks.</a> The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).</li><li>Schr&#228;pler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physics+of+protoplanetesimal+dust+agglomerates.+VII.+The+low-velocity+collision+behavior+of+large+dust+agglomerates.">The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates.</a> The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).</li><li>Beitz, E., G&#252;ttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-velocity+collisions+of+centimeter-sized+dust+aggregates.">Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates.</a> The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).</li><li>Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. <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+the+nebular+formation+of+chondrule+rims+and+the+formation+of+chondrite+parent+bodies.">Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).</li><li>Jankowski, T., 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=Crossing+barriers+in+planetesimal+formation:+The+growth+of+mm-dust+aggregates+with+large+constituent+grains.">Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains.</a> Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).</li><li>Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micrometer-sized+ice+particles+for+planetary-science+experiments+-+I.+Preparation,+critical+rolling+friction+force,+and+specific+surface+energy.">Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments - I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy.</a> Icarus. 214, 717-723 (2011).</li></ol>

We have nothing to disclose.

Nedeniyle yüksek mekanik hassas, iki damla kuleleri başarısızlık oranı son derece düşüktür. Numune hazırlama boyut, şekil ve istenilen toz agrega emiciliği bağlı olarak, birkaç saate kadar sürebilir, çünkü bu, büyük önem taşımaktadır. Bu, çok yüksek bir gözeneklilik ile büyük toz agrega, ve böylece, kullanımı zor ve son derece kırılgan olduğu belirtilmelidir. Bu toz agrega açılan kuleye kalıp veya aktarımı kapalı çıkarılması sırasında zarar meydana gelebilir. Bu durumda, yeni bir numune hazırlanmalıdır. Bu nedenle, küçük bir damla kule güvenilir (ve tahmin edilebilir) çarpışma hızları, aşağı 0.01 m / sn &#39;11,13 sağlar önemlidir. Şimdiye kadar elde düşük darbe hızı 0.004 m / sn idi. Bu küçük darbe hızının sadece bir mikrogravite ortamında ücretsiz parçacıkların ulaşılabilir. Laboratuvar damla kule böyle bir mikrogravite tesisin ucuz ve çok yönlü bir hayata geçirilmesidir. Alternatidüşük darbe hızları (elektromanyetik ya da aerodinamik havalanma ile) ama genellikle çarpışmalar analizinde hesaba katılması gereken çarpışan parçacıklar arasında bir kuvvet sebep kaldırma teknikleri 14,15 yararlanmak elde edilmesi için yöntemler ve. Ayrıca, kaldırma genellikle istenmeyen ise, dönme içermeyen çarpışmalar izin vermez, ancak, diğer taraftan, daha da döner parçacıklar arasındaki çarpışmalar gerçekçi simülasyonlar izin verebilir, dönme hareketi 14 neden olur. Aerodinamik havalanma durumunda, çarpışma sırasında hava yastığı etkisi protoplanetary disklerde bu eşleşmiyor istenmeyen koşulları neden olabilir. O zaman sınırlaması gerekli ise damla kuleye bir alternatif olarak kabul edilmesi gerekir böylece Ancak, kaldırma sınırsız gözlem süresi ve tekrarlanabilir deneyler sağlar. Tüm çabalarımız bugüne kadar karasal-gezegen oluşumu r silikat bir temsilcisi olarak SiO 2 konsantre edilmişGenç Güneş Sistemleri egion. Protoplanetary disklerin kütlesinin çok su buz yoğunlaşma noktasının ötesinde konsantre edilir olarak, aynı zamanda um boyutlu H 2 O-buz danelerden oluşan agrega çarpışma davranışını incelemek için gereklidir. Biz şu anda bu amaç için bir cryo-vakum damla kule kuruyorsanız. Bu tür deneylerde simülasyon sıcaklıklar altındaki &quot;kar hattı&quot; su buharı olan iç bölge böler protoplanetary disklerde sözde &quot;kar çizgi&quot; (sıcaklığıdır ~ 150 K, olması gerektiğini belirtmek gerekir o) bir katı buz su olarak bulunan dış bölgelerinden aşaması. Bu mikron büyüklüğünde buz-su parçacıkların oluşumu mümkündür ve bir sonraki 1-2 yıl içinde çarpışma davranışı ilk sonuçlar için olumlu olduğu kadar büyüklükler bunların 16 üretilebildiğini göstermiştir.

Genellikle gezegen oluşumu (Blum &amp; Wurm tarafından inceleme) 1 büyük toz agrega içine mikroskobik küçük toz tanelerinin yerçekimi olmayan birikimi ile başladığı kabul edilmektedir. Toz parçacıkları nedeniyle Brown hareketi, göreli kayma hareketleri ve bulutsu gaz türbülans kendi protoplanetary diskler içinde çarpışır (ark Johansen Değerlendirmenizi görmek.) 2.. Çarpışma hızı yeterince düşük ise, toz parçacıkları büyük yığınlar oluşturmak için beraber hareket. Geçtiğimiz yıllarda laboratuvar ölçümlerinin bir zenginlik keyfi kitleler ve çarpışma hızlarının 3 ile toz agrega bir çift sonucunu tahmin toz-agrega çarpışma modeline yol açmıştır. Temel çarpışma sonuçları (küçük agrega kitleler ve düşük çarpışma hızlarında için genel olarak) yapışmasını sıçrayan ve parçalanma (yüksek darbe hızları için) vardır. Ancak, bu fazlar arasındaki geçişler keskin değildir ve diğer vardırçıktıları gibi, örneğin kütle transferi veya erozyon. Tipik bir protoplanetary diske bu modeli uygulayarak birkaç bin yıl içinde 4 cm büyüklüğünde toz agrega büyüme öngörüyor. Cm boy toz agrega varlığı yaygın son yıllarda astronomik gözlemler tarafından incelenmiş ve kurulmuş gibi şimdi biz sonuçlandırmak 5 böylece ile (Testi ve diğ. Değerlendirmenizi görmek) kabul edilebilir olduğunu ilke hangi mekanizma ile ilk makroskopik organları genç gezegen sistemlerinin form tespit edilmiştir. Ancak, en azından kilometrelik boyutlarda organlarına daha fazla büyüme o kadar açık değildir. Karasal gezegen bölge için, iki hipotez şu anda (.. Ayrıca Johansen ve arkadaşları tarafından bu konuda son yorumları 2 ve Testi vd 5) ele alınmıştır: by cm büyüklüğünde toz agrega (i) konsantrasyonu, örneğin akarsu istikrarsızlık 6 ve daha sonraki gravitilli çöküşü 7,8 ve kütle-transfer süreci 9,10,11 tarafından daha sonraki kütle toplanma ile daha büyük boyutlarda bir kaç &quot;şanslı kazananlar&quot; (ii) büyüme. Her iki modelde de, cm büyüklüğünde toz agrega orta hızlarda düşük karşılıklı çarpışmaları büyük bir sayı tabi. Bu (zıplatma dışında) bu çarpışmalar olası sonuçları nelerdir belirsizdir. Güttler vd. 3 oranında toz toplam çarpışma modeli geliştirmek ve ilgili hız rejimlerinde makroskopik toz agrega arasında daha ayrıntılı çarpışmalar araştırmak için, biz hangi bireysel agrega-agrega çarpışmalar can, bizim laboratuvarda iki damla kuleleri kurmak vakum ve mikrogravite koşullar altında çok detaylı olarak incelenecektir. Her iki damla kuleleri gözlem zamanı ~ 0.5 sn sınırlar 1,5 m serbest düşme yüksekliği, sahip. Böylece, yüksek hızlı megapiksel formatında kameralar ve saniyede 7.500 kare ile çarpışmaları gözlemlemek.Maksimum kontrast ve yüksek kayıt hızları için, parlak alan aydınlatma seçilir. Aydınlatma ve böylece yüksek yoğunluklu LED panel tarafından sağlanan ve difüzör ekranlar ile homojenize edilir. Böylece, yüksek hızlı kameralar çarpışan toz ışıklı bir ekranın önünde karanlık nesneleri toplayan görüntüleyebilirsiniz. Titremeyi önlemek için, LED&#39;ler DC güç vardır. Düşük çarpışma hızları elde etmek için, her iki toz agrega bir çift serbest bırakma mekanizması içinde, birbirleri üzerine yerleştirilir. G, v = gt bir nispi hızındaki düşük bir sonuç daha önce üst agrega t bir bırakma süresi = 9.81 m / sn 2 Dünya&#39;nın yerçekimi ivmesi olmak. İki yönden ayrı 90 ° &#39;den çarpışma görüntülemek iki yüksek hızlı kameralar, genellikle iki toz büyüklükler arasında yayımlanan (genellikle üst parçacığın sonra / 2 t). Kameralar kamera etkisi ile sonlandırılır sürekli kayıt modunda, çalıştırmakkum kova içine sahipleri. Bu çalışma modunda maksimum kare hızı megapiksel çözünürlükte saniyede 1.000 görüntülerdir. Bu kurulum ile, m / sn elde edilmiştir 0.01 altına kadar hızlar. Nedeniyle çift salma mekanizmasının mekanik kurulum sınırlamaları, maksimum bağıl çarpışma hızı ~ 3 m / sn &#39;dir. Boyutu kadar 5 cm toz agrega içeren Çarpışmalar bu açılan kulede incelenmiştir. Yüksek çarpışma hızları için yukarı düzgün toz dikey yukarı yönde 5 m / sn &#39;ye kadar agrega hızlandırmak için yetenekli bir elektromanyetik hızlandırıcı ile donatılmıştır ~ 10 m / san, ikinci bir damla kule kullanılır için. Diğer toz agrega bir çift kanat trap-kapak açma mekanizması ile düzenlenen ve herhangi bir zamanda serbest düşüşe dönüşünü serbest bırakılabilir. İşte, o serbest düşen kameralar kullanmak mantıklı değil. Biz oldukça saniye ve megapiksel çözünürlüğe başına kadar 7.500 kare ile iki sabit yüksek hızlı kameralar kullanıyoruz. Nedeniyle büyük Diamet içinBu açılan kulenin er, toz (ve muhtemelen yukarıda) boyutu 10 cm kullanılabilecek kadar toplar.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Monodisperse SiO2 particles</td>
			<td style="width:71px;">Micromod</td>
			<td style="width:119px;">43-00-153</td>
			<td style="width:167px;">Particle diameter 1.52 &#177; 0.06 &#181;m; particle shape spherical</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Polydisperse SiO2 particles</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">S5631</td>
			<td>Particle diameter 0.1 &#8211; 10 &#181;m; particle shape irregular</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;"></td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

laboratory drop towers for the experimental simulation of dust-aggregate collisions in the early solar system

Erken Güneş Sistemi içinde toz agrega evrimini araştıran amaçla, biz boyutları ile kırılgan toz agrega ~% 70 10 cm ve gözenekler çarpıştı olabilir hangi iki vakum açılan kuleleri geliştirdi. Damla kulelerinden biri öncelikle aşağı m 0.01 aşağıda / sn çok düşük darbe hızları için kullanılan ve bir çift salma mekanizmasının kullanımı yapar. Çarpışmalar iki toz agrega merkez-kütle çerçeve içinde cam vakum tüp boyunca düşüş iki yüksek hızlı kameralar ile stereo-görünümde kaydedilir. Diğer serbest düşme kulesi yavaşça kadar 5 m / sn &#39;ye toz agrega hızlandırma yeteneğine sahip bir elektromanyetik hızlandırıcı kullanır. Serbest düşme başka toz agreganın serbest bırakılması ile birlikte, çarpışma ~ 10 m / sn elde edilebilir hızlandırır. Burada, iki sabit yüksek hızlı kameralar çarpışma olayları kaydetmek. Onlar ağırlıksız ve maç için her iki damla kuleleri, toz agrega çarpışma sırasında serbest düşme vardırErken Güneş Sistemi&#39;ndeki koşullar.

(Şekiller 1-3) protokolü açıklanan iyi karakterize toz-agrega örnekleri kullanılarak, laboratuvar damla kulelerinden birinde görülen herhangi bir çarpışma protoplanetary diskleri benzer çarpışmalar sonuçları hakkında bilimsel değerli bilgiler verecektir. Biz şimdiye kadar sistematik olarak 2 cm çarpışma sonuçları arasındaki faktörleri dolgu hacmi ile (büyüklüğünde silindirik toz agrega m / sn 13 0,008 ile 2,02 arasında ve 5 cm hız aralığında (hacim 0.5 faktörleri dolgu ile) küresel toz agrega ölçekli araştırdık hız aralığı içinde 0.3 ve 0.5) m 0.004 ile 2 / sec 12. Biz aşağıda hızlar ~ için hakim sonuç olarak toz büyüklükler arasında zıplayan bulunan toz agrega iki tip için 0.4 m / sn (bir örnek için film 6). Şekil 4, bu zıplayan çarpışmalar iadesi katsayısı gösterilmiştir. Çevreler 2 ile deneyler göstermekcm büyüklüğünde küresel örnekler 13 ve üçgenler iki farklı ambalaj ile 5 cm boy toz silindirler arasında çarpışmalar sonuçları temsil 12 yoğunluklarından. Tek tek deneylerin iadesi katsayıları yaygın dağılım, ancak iade katsayısının ortalama değeri giderek artan çarpışma hızı azalır. Hem toz agrega genellikle (bir örnek için Sinema 7) ~ 1 m / sn üzerindeki hızlar için etkisi üzerine parçalayın. ~ 0.4 ve ~ 1 m / sn arasında hızlar için, yalnızca bir iki çarpışan toz agregaların parçalanma oluşabilir. Bu durumda, non-parçalanan toz toplam kütle transferi ile 13 kütle arasında birkaç yüzde kazanır. Yukarıda belirtilen hız sınırları keskin değildir ama farklı rejimler arasındaki sınırların 2,11 yalan yere yaklaşık göstermektedir. Toz farklı boyutlarda agrega ve orta hızları arasındaki çarpışmalar, etkiler, genellikle t yol olmaz<html> o iki toz agregaların daha büyük parçalanma. Tam tersine, daha büyük cisimlerinin daha küçük impactors (Film 8) kütlesinin bir bölümünün devri kendi kütlesini arttırmak. İki toz agrega birbirini kapalı çıkma hangi durumlarda, için, öteleme kinetik enerji transferi çarpışmadan önce (öteleme kinetik enerji, dönme kinetik enerji ve diğer içine (toz agrega çarpışmadan önce döndürmek kalmamasıdır sakıncası) yutucu) enerji kanalları (toz agrega örneğin sıkıştırma) tespit edilebilir. Biz, kaybolan enerji ile nispi miktarı çok artan hız artar ve tozun daha düşük hacim doldurma faktörleri için daha yüksektir 12 agrega merkezi çarpışmalar için (ki burada dönme enerjisi ihmal edilebilir) bulundu. Bu davranış, moleküler dinamiği simülasyonları 12 tarafından örnek alınabilir. ttps :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Film 1. parçacık-on-a-string ((arka yavaş hareket oynadı) Yüksek hızlı film üst) ve tuzak-kapak açma mekanizması (altta). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Movie 2</a> . double trap-kapak açma mekanizması (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film. Her iki numune nedeniyle yayın sırasında son derece düşük rahatsızlık serbest düşüş sırasında sınırlı kalır 2 mm çapındaki Al 2 O 3 parçacıkların, kümeleri vardır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Film 3</a> . makas tipi çift salma mekanizmasının (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Film</a>4. Yüksek hızlı çift kanat trap-kapak açma mekanizması film (geri yavaş oynadı). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Movie 5</a> . üst ve alt serbest bırakma mekanizması gibi serbest düşme kamera serbest geçiş zamanlayıcı elektronik Animasyon. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Film 6</a> . iki adet 5 cm büyüklüğünde toz-agrega silindir arasındaki sıçrayan çarpışma (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film. İki toz agrega makas tipi çift bırakma mekanizması tarafından yayımlanan ve 0.09 m / sn hız ile çarpışır edilir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Film 7</a> . iki adet 2 cm büyüklüğünde silindirik toz agrega (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film collidi7.4 m / sn &#39;lik bir hızda nispi ng. Her iki agrega tamamen fragmanı. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Film 8</a> ., 5 cm büyüklüğünde silindirik katı hedefi etkileyen bir 5 mm boyutlu toz agrega (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film. 4.3 m / sn &#39;lik çarpma hızı küçük toz agrega parçalanma hızı üzerinde olduğu gibi, bu filmde açıkça görülebilir hedefe, ayrı ve transfer kütlesinin bir kısmını keser. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Film 9</a> bir yarı-otomatik parçacık izleme algoritması tarafından partikül yörüngelerinin. belirlenmesi. Burada, iki adet 2 cm büyüklüğünde küresel toz agregalar arasındaki çarpışma gösterilmiştir.

Watch this Scientific Journal Video about Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System at JoVE.com

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

Biz laboratuvarda kırılgan toz agrega arasındaki ara-hız çarpışmalar düşük hız elde etmek için bir teknik mevcut. Bu amaçla, iki vakumlu damla kulesiz kurulumları izin geliştirilmiştir &lt;0.01 ve ~ 10 m / san arasında çarpışma hızları. Çarpışma olaylar, yüksek hızlı görüntüleme ile kaydedilir.

Erken Güneş Sistemi Toz-agrega Çatışmayı Deneysel Simülasyon Laboratuvarı Bırak Towers

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 ...

laboratory-drop-towers-for-experimental-simulation-dust-aggregate

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinetics of a Particle: Impulse and Momentum

SCIENTISTS IN ACTION

12.6K Görüntüleme.  Technische Universität Braunschweig.  Biz laboratuvarda kırılgan toz agrega arasındaki ara-hız çarpışmalar düşük hız elde etmek için bir teknik mevcut. Bu amaçla, iki vakumlu damla kulesiz kurulumları izin geliştirilmiştir 

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

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

Şarj-Ayırma Nanokristaller ve Bunların Katılar Yoluyla Güneş Enerjisi Hasat

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Mühendislik

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to that layered structure, (1) percolation of liquid metal in a solid silicate matrix by planet differentiation, and (2) inner core crystallization by subsequent planet cooling. We conduct high-pressure and high-temperature experiments to simulate both processes in the laboratory. Formation of percolative planetary core depends on the efficiency of melt percolation, which is controlled by the dihedral (wetting) angle. The percolation simulation includes heating the sample at high pressure to a target temperature at which iron-sulfur alloy is molten while the silicate remains solid, and then determining the true dihedral angle to evaluate the style of liquid migration in a crystalline matrix by 3D visualization. The 3D volume rendering is achieved by slicing the recovered sample with a focused ion beam (FIB) and taking SEM image of each slice with a FIB/SEM crossbeam instrument. The second set of experiments is designed to understand the inner core crystallization and element distribution between the liquid outer core and solid inner core by determining the melting temperature and element partitioning at high pressure. The melting experiments are conducted in the multi-anvil apparatus up to 27 GPa and extended to higher pressure in the diamond-anvil cell with laser-heating. We have developed techniques to recover small heated samples by precision FIB milling and obtain high-resolution images of the laser-heated spot that show melting texture at high pressure. By analyzing the chemical compositions of the coexisting liquid and solid phases, we precisely determine the liquidus curve, providing necessary data to understand the inner core crystallization process.

The high-pressure and high-temperature experiments described here mimic planet interior differentiation processes. The processes are visualized and better understood by high-resolution 3D imaging and quantitative chemical analysis.

Planetary İçişleri Farklılaşma Simülasyon Laboratuvarı Süreçleri

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

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

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 detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

Non-Newtonian Akışkanlar Bırak Etkisi Dynamics Eğitim Hızlı Görüntüleme Tekniği

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 ...

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents and hence higher efficiencies. Photon up-conversion by way of triplet-triplet annihilation (TTA-UC) is an attractive technique for using these otherwise wasted low energy photons to produce photocurrent, while not interfering with the photoanodic performance in a deleterious manner. Further to this, TTA-UC has a number of features, distinct from other reported photon up-conversion technologies, which renders it particularly suitable for coupling with DSC technology. In this work, a proven high performance TTA-UC system, comprising a palladium porphyrin sensitizer and rubrene emitter, is combined with a high performance DSC (utilizing the organic dye D149) in an integrated device. The device shows an enhanced response to sub-bandgap light over the absorption range of the TTA-UC sub-unit resulting in the highest figure of merit for up-conversion assisted DSC performance to date.

An integrated device, incorporating a dye-sensitized solar cell and triplet-triplet annihilation up-conversion unit was produced, affording enhanced light harvesting, from a wider section of the solar spectrum. Under modest irradiation levels a significantly enhanced response to low energy photons was demonstrated, yielding a record figure of merit for dye-sensitized solar cells.

Bir Üçüz-üçlü Annihilation&#39;ın Up-dönüşüm Sistemi entegre Alt-bandaralıklı Işık Boya duyarlı Solar Hücre Yanıtı arttırmak için

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two solution-processed polymeric cells connected in parallel by a transparent carbon nanotubes (CNT) interlayer. This structure includes improvements in fabrication techniques for tandem OPV devices. First the need for ambient-processed cathodes is considered. The CNT anode in the tandem device is tuned via ionic gating to become a common cathode. Ionic gating employs electric double layer charging to lower the work function of the CNT electrode. Secondly, the difficulty of sequentially stacking tandem layers by solution-processing is addressed. The devices are fabricated via solution and dry-lamination in ambient conditions with parallel processing steps. The method of fabricating the individual polymeric cells, the steps needed to laminate them together with a common CNT cathode, and then provide some representative results are described. These results demonstrate ionic gating of the CNT electrode to create a common cathode and addition of current and efficiency as a result of the lamination procedure.

A method of fabricating, in ambient conditions, organic photovoltaic tandem devices in a parallel configuration is presented. These devices feature an air-processed, semi-transparent, carbon nanotube common cathode.

Tandem Organik Güneş Pilleri bir iyonik Geçitli Karbon Nanotüp Ortak Katot Üretimi için ortam Yöntemi

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical properties. The possibility of doping was investigated by adding monovalent cation halides with similar ionic radii to Pb2+, including Cu+, Na+, and Ag+. A shift in the Fermi level and a remarkable decrease of sub-bandgap optical absorption, along with a lower energetic disorder in the perovskite, was achieved. An order-of-magnitude enhancement in the bulk hole mobility and a significant reduction of transport activation energy within an additive-based perovskite device was attained. The confluence of the aforementioned improved properties in the presence of these cations led to an enhancement in the photovoltaic parameters of the perovskite solar cell. An increase of 70 mV in open circuit voltage for AgI and a 2 mA/cm2 improvement in photocurrent density for NaI- and CuBr-based solar cells were achieved compared to the pristine device. Our work paves the way for further improvements in the optoelectronic quality of CH3NH3PbI3 perovskite and subsequent devices. It highlights a new avenue for investigations on the role of dopant impurities in crystallization and controls the electronic defect density in perovskite structures.

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we present a protocol to adjust the properties of solution-processed CH3NH3PbI3 through the incorporation of monovalent cation additives in order to achieve highly efficient perovskite solar cells.

CH tek değerlikli katyon doping<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Verimli Perovskit Güneş Pilleri için

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of electrospun titanium dioxide nanofibers (TiO2-NFs) on top of a blocking layer made of commercially available titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs). This is achieved by first electrospinning a solution of titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), and glacial acetic acid in ethanol to obtain composite PVP/TiO2 nanofibers. These are then calcined at 500 &#176;C to remove the PVP and to obtain pure anatase-phase titania nanofibers. This material is characterized using scanning electron microscopy (SEM) and powder X-ray diffraction (XRD). The photoanode is prepared by first creating a blocking layer through the deposition of a TiO2-NPs/terpineol slurry on a fluorine-doped tin oxide (FTO) glass slide using doctor blading techniques. A subsequent thermal treatment is performed at 500 &#176;C. Then, the light-scattering layer is formed by depositing a TiO2-NFs/terpineol slurry on the same slide, using the same technique, and calcinating again at 500 &#176;C. The performance of the photoanode is tested by fabricating a dye-sensitized solar cell and measuring its efficiency through J-V curves under a range of incident light densities, from 0.25-1 Sun.

The overall goal of this project was to use electrospinning to fabricate a photoanode with improved performance for dye-sensitized solar cells.

Boya Duyarlılaştırılmış Güneş Pilleri için Fotokatalitik Elektrotların Elektrospinning

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction of degradation mechanisms and prevention of module field failure can consequently decrease investment risks as well as increase the electricity yield. An improved knowledge level can for these reasons significantly decrease the total costs of PV electricity. 
In order to better understand and minimize the degradation of PV modules, the occurring degradation mechanisms and conditions should be identified. This should preferably happen under combined stresses, since modules in the field are also simultaneously exposed to multiple stress factors. Therefore, two 'Combined Stress test with in situ measurement' setups have been designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, illumination, and electrical biases as independently controlled stress factors on solar cells and minimodules. The setups also allow real-time monitoring of the electrical properties of these samples. This protocol presents these setups and describes the experimental possibilities. Moreover, results obtained with these setups are also presented: various examples about the influence of both deposition and degradation conditions on the stability of thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) as well as Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells are described. Results on the temperature dependency of CIGS solar cells are also presented.

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

Two &#39;Combined Stress test with in situ measurement&#39; setups, which allow real-time monitoring of accelerated degradation of solar cells and modules, were designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, electrical biases, and illumination as independently controlled stress factors. The setups and various experiments executed are presented.

Situ Güneş hücreleri ve modüllerin hızlandırılmış performans düşüşü izleme: Cu (In, Ga) Se2 güneş hücreleri için bir örnek çalışma

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is composed of two materials, a plastic and an elastomer, whose dispersion characteristics (refractive index variation with wavelength) are different. We first designed the lens geometry and then used ray-tracing simulation, based on the Monte Carlo method, to analyze its performance from the point of view of both optical efficiency and the maximum attainable concentration. Afterwards, ADG Fresnel lens prototypes were manufactured using a simple and reliable method. It consists of a prior injection of plastic parts and a consecutive lamination, together with the elastomer and a glass substrate to fabricate the parquet of ADG Fresnel lenses. The accuracy of the manufactured lens profile is examined using an optical microscope while its optical performance is evaluated using a solar simulator for concentrator photovoltaic systems. The simulator is composed of a xenon flash lamp whose emitted light is reflected by a parabolic mirror. The collimated light has a spectral distribution and an angular aperture similar to the real Sun. We were able to assess the optical performance of the ADG Fresnel lenses by taking photographs of the irradiance spot cast by the lens using a charge-coupled device (CCD) camera and measuring the photocurrent generated by several types of multi junction (MJ) solar cells, which have been previously characterized at a solar simulator for concentrator solar cells. These measurements have demonstrated the achromatic behavior of ADG Fresnel lenses and, as a consequence, the suitability of the modelling and manufacturing methods.

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass ADG Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens makes use of two materials with differing dispersion to reduce chromatic aberration and increase attainable concentration. In this paper, a protocol for the complete characterization of the ADG Fresnel lens is presented.

Verimlilik ve fotovoltaik konsantre için cam (ADG) Fresnel Lens üzerinde akromatik eş fincan olma kapalı deneysel değerlendirilmesi

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is ...

Processing of Bulk Nanocrystalline Metals at the US Army Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued development of nanocrystalline metals. Despite these efforts, the transition of these materials from the lab bench to actual applications has been blocked by the inability to produce large scale parts that retain the desired nanocrystalline microstructures. Following the development of a method proven to stabilize the nanosized grain structure to temperatures approaching that of the melting point for the given metal, the US Army Research Laboratory (ARL) has progressed to the next stage in the development of these materials - namely the production of large scale parts suitable for testing and evaluation in a range of relevant test environments. This report provides a broad overview of the ongoing efforts in the processing, characterization, and consolidation of these materials at ARL. In particular, focus is placed on the methodology used for producing the nanocrystalline metal powders, in both small and large-scale amounts, that are at the center of ongoing research efforts.

This paper provides a brief overview of the ongoing efforts at the Army Research Laboratory on the processing of bulk nanocrystalline metals with an emphasis on the methodologies used for the production of the novel metal powders.

ABD ordusu araştırma laboratuvarı toplu Nanocrystalline metallerin işlenmesi

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued ...