Name: an analog macroscopic technique for studying molecular hydrodynamic processes in dense gases and liquids
Uploaded: 2017-12-04T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Analog Macroscopic Technique for Studying Molecular Hydrodynamic Processes in Dense Gases and Liquids at JoVE.com

Este trabalho foi apoiado pelo escritório de pesquisa Naval (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik e Keanini] e realizado na Universidade da Carolina do Norte em Motorsports Research Lab. polimento Charlotte mídia foi doada por Rosler.

1. preparação do sistema vibratório
<ol><li>
Configure o sistema vibratório, como mostrado na Figura 1. Este sistema consiste de uma anular poliuretano tigela (com um diâmetro exterior de 600mm), anexada a uma velocidade única (1740 rpm), motor desequilibrado, onde o último gera vibrações de processo. Este é anexado a uma base ponderada e separado por um grupo de oito molas (a bacia e a base ponderada são comprados montados como inteiro). Prender o conjunto de tigela par...

<ol>
	<li>Berne, B. J., Pecora, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dynamic Light Scattering. , (1976).</li><li>Boon, J. P., Yip, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Molecular Hydrodynamics. , (1980).</li><li>Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+scattering+study+of+dynamic+and+time-averaged+correlations+in+dispersions+of+charged+particles.">Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles.</a> J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).</li><li>Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. 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G., Mullany, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+particle+imaging+velocimetry+(PIV)+to+vibrational+finishing.">Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing.</a> J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).</li><li>Navare, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , (2017).</li><li>Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+phonon+theory+of+liquid+thermodynamics.">The phonon theory of liquid thermodynamics.</a> Sci. Rep. 2, 421 (2012).</li><li>Elton, D. 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Japan. 12, 570-586 (1957).</li><li>Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , (1991).</li></ol>

Para utilizar pilhas de grão vibrar como análogos macroscópicos para investigar processos hidrodinâmicos moleculares, uma experimentalista deve, por um lado, aprender e usar quatro medições básicas e por outro, dominar alguns elementos básicos do equilíbrio e mecânica estatística de não-equilíbrio. Primeiro enfocando medições experimentais, estes incluem: i) medição da dinâmica de grãos individuais através da medição da função de autocorrelação velocidade single-partícula, ii) medição da velo...

Hidrodinâmica molecular estuda a dinâmica e a mecânica estatística de moléculas individuais e coleções de moléculas dentro de fluidos. Entre as muitas técnicas experimentais desenvolveram para estudar sistemas moleculares hidrodinâmica1,2, espalhamento de luz1,2,3, simulações de dinâmica molecular4, 5,6,7 e, em menor medida, de dispersão de nêutrons inelástica8 têm sido mais comumente usados. Infelizmente, limitações significativas anexar as último duas técnicas. Simulações de dinâmica molecular (MD), por exemplo: i) são limitado a pequenas espacial e temporal <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq1.jpg"> domínios contendo moléculas relativamente poucos <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq2.jpg"> </img>, ii) exigem o uso dos potenciais de partículas inter aproximadas, introduzir iii) normalmente periódica condições de contorno, inválidas sob condições de fluxo em massa de não-equilíbrio e iv) não podem, neste momento, responde à questão fundamental da dinâmica como escala molecular, envolvendo moléculas simples ou coleções de moléculas, são afetadas pela e casal volta, em massa, desequilíbrio de fluxo de fluido. A principal limitação associada com dispersão de nêutrons está ligada à dificuldade de acessar o número limitado de fontes de feixe de nêutrons disponíveis.
A fim de fornecer o contexto para a analógica técnica experimental apresentada neste artigo, destacamos as técnicas de espalhamento de luz aplicadas a fluidos densos-gás e líquido-estado simples. Em um experimento de espalhamento de luz típico, um feixe de luz polarizada do laser é direcionado para um volume pequeno interrogatório contendo uma amostra de fluido estacionária. Luz espalhada de moléculas dentro da amostra é então detectada em algum ângulo fixo em relação ao feixe incidente. Dependendo do regime de dinâmico molecular de interesse, detecção e análise de sinal luminoso dispersado incorpora luz filtragem ou luz mistura métodos de deteção. Conforme descrito por Berna e Pecora1, filtragem de técnicas, que sonda a dinâmica molecular do estado líquido em tempo escalas mais curto do que <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq3.jpg"> s, introduzir um interferômetro pós-espalhamento ou grades de difração e permitir a verificação da densidade espectral da luz dispersa. Óptico de mistura técnicas, usadas para retardar-tempo-escala dinâmica, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq4.jpg"> s, por outro lado, incorporam um analisador autocorrelator ou espectro pós-dispersão, no qual o conteúdo espectral do sinal disperso é extraído a luz espalhada medida intensidade.
Geralmente, laser probes, pelo menos as que operam na faixa visível do espectro, têm comprimentos de onda muito mais do que o espaçamento característico entre estado líquido as moléculas. Nestas circunstâncias, o feixe do sonda excita cinco coletivo, lento-escala de tempo, modos hidrodinâmico de longo comprimento de onda2,9,10 (lento em relação a frequência de colisão característico): dois viscously amortecida, Counter-propagação de ondas sonoras, dois modos de vorticidade desacopladas, puramente difusiva e um modo único difusiva térmica (entropia). Os modos de som estão animados na direção (longitudinal) do feixe incidente, enquanto os modos vortical são animados no sentido transversal.
Considerando-se puramente experimental dispersando técnicas, duas questões fundamentais, situada no coração do equilíbrio e da mecânica estatística de não-equilíbrio molecular, sistemas de estado líquido, permanecem além da luz e medidas de dispersão de nêutrons: 1) rigoroso argumentos9,11 mostra que a dinâmica de colisão - e sub-collision-escala de tempo aleatório, de moléculas individuais do estado líquido, sujeitos a dinâmica newtoniana clássica ou dinâmica quântica, pode ser reformulada na formulário das equações de Langevin generalizadas (GLE). GLE, por sua vez, constituem uma ferramenta teórica central no estudo da mecânica estatística não-equilíbrio das moléculas em líquidos e gases densos. Infelizmente, uma vez que a dinâmica de moléculas individuais (não-macromolecular) não pode ser resolvida por qualquer técnica de espalhamento, não há atualmente nenhuma maneira direta, além de simulações de MD, para testar a validade do GLE. 2) uma hipótese fundamental mentindo no coração macroscópica contínuo da dinâmica dos fluidos, bem como hidrodinâmica molecular de microescala, postula que em comprimento - e -escalas de tempo grande em relação ao diâmetro molecular e colisão, mas pequeno em relação ao contínuo escalas de comprimento e de tempo, equilíbrio termodinâmico local (LTE) prevalece. Em contínuo fluxo e calor dos modelos de transferência, como as equações de Navier-Stokes (NS), a suposição de LTE é necessário9 fim de casal intrinsecamente não-equilíbrio, fluxo contínuo-escala e recursos de transporte de energia — como tensões de cisalhamento viscosos e condução térmica — estritamente equilíbrio termodinâmico Propriedades, como temperatura e energia interna. Da mesma forma, enquanto a microescala ímpeto e energia de transporte são processos intrinsecamente não-equilíbrio, refletindo a aparência do acoplado, massa de microescala, dinâmica e as correntes de energia, modelos desses processos de microescala supor que as correntes representam pequenas perturbações de LTE9. Novamente, o melhor de nosso conhecimento, não houve nenhum teste experimental direto da Assunção LTE. Em particular, parece que nenhum experimento de dispersão hidrodinâmica molecular foram tentado dentro fluxos fluidos densos, em movimento, desequilíbrio.
Neste artigo, descrevem uma técnica experimental analógica, no qual as partículas macroscópicas, única e dinâmica de partículas coletiva de estacas vibratório grão, medidas usando padrão Particle Imaging Velocimetry (PIV), pode ser usada para prever indiretamente, interpretar e expor single e multi molecule hidrodinâmica em líquidos e gases densos. Os elementos físicos e teóricos que permitem que a técnica proposta são demonstrados em um estudo recente publicado por nosso grupo12. Experimentalmente, o sistema macroscópico deve apresentar: (i) uma tendência sustentada para partidas lineares local, macroescala equilíbrio mecânico estatístico e (ii) pequenos, de equilíbrio que imitam as flutuações de não-equilíbrio (fracas) observada em sistemas moleculares e hidrodinâmicos. Teoricamente: modelos de microescala (i) clássica descreve o equilíbrio e a mecânica estatística fracamente-desequilíbrio de densa, sistemas de N-partículas interagindo devem ser reformulados, sob forma de macroescala, e (ii) os modelos de macroescala resultante devem confiantemente prever a dinâmica de único e múltiplo-partículas, de curtos, partícula-colisão-prazos para longos, contínuo-fluxo--escalas de tempo.
Aqui, apresentamos um protocolo experimental pormenorizado, bem como resultados representativos obtidos pela técnica de novo. Em contraste com simulações de MD, luz e métodos de dispersão de nêutrons, a nova técnica permite que, pela primeira vez, um estudo detalhado dos processos hidrodinâmicos moleculares dentro fluindo, fortemente não-equilíbrio, densas de gases e líquidos.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Vibratory Polishing Bowl</td>
			<td>Raytech</td>
			<td>AV-75</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow Meter</td>
			<td>Peristaltic Pumps</td>
			<td>913 Mity Flex</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scale</td>
			<td>Pelouze</td>
			<td>4040</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triaxial Accelerometer</td>
			<td>PCB Piezotronics</td>
			<td>PCB 356B11</td>
			<td>Accelerometer with Sensor Signal Conditioner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition Computer</td>
			<td>IBM</td>
			<td>Thinkpad</td>
			<td>Used with high speed camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Speed Camera</td>
			<td>Redlake</td>
			<td>Motionxtra HG-XR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zoom Lens</td>
			<td>Tamron</td>
			<td>Model A18</td>
			<td>18-250mm F/3.5-6.3&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High intensity Light</td>
			<td>ARRI</td>
			<td>EB 400/575 D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Processing Computer</td>
			<td>Dell</td>
			<td>Dell Precision Tower 7910</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PIV Software&#160;</td>
			<td>Dantec Dynamics</td>
			<td>Dynamic Studio 2013</td>
			<td>version 3.41.38</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition Hardware</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>SCXI</td>
			<td>SCXI-1000 Chasis with SCXI 1100 Card and SCXI 1303 Adapter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition Software</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>LabVIEW 2012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Processing Software</td>
			<td>MATHWORKS</td>
			<td>MATLAB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polishing Media</td>
			<td>Rosler</td>
			<td>RSG 10/10S</td>
			<td>Multiple media types used (mixed, spherical, triangular)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polishing Solution</td>
			<td>Rosler</td>
			<td>FC KFL (3%)</td>
			<td>3% soap solution with water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ruled Scale</td>
			<td>Swiss Precision Instruments</td>
			<td>13-911-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graduated Cylinder</td>
			<td>Global Scientific</td>
			<td>601082</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an analog macroscopic technique for studying molecular hydrodynamic processes in dense gases and liquids

É descrito um método analógico, macroscópico para estudar processos hidrodinâmicos escala molecular densas gases e líquidos. A técnica se aplica uma padrão fluido dinâmico diagnóstico, Velocimetria por imagem (PIV), para medir: i) velocidades de partículas individuais (grãos), existentes na colisão-grão curto, prazos, ii) velocidades de sistemas de partículas, em ambos os curto colisão-tempo - e longo, contínuo-fluxo--escalas de tempo, iii) coletivos modos hidrodinâmicos sabidos para existir em fluidos moleculares densos e iv) funções de autocorrelação curto - longo-tempo-escala e velocidade, fundamentais para compreender a dinâmica da partícula-escala em sistemas de fluidos densos, interagindo fortemente. O sistema básico é composto de um sistema de imagem, fonte de luz, sensores de vibração, sistema vibracional com um software de análise e PIV e mídia, conhecido. Destacam-se as medições experimentais necessárias e um esboço das ferramentas teóricos necessário quando se utiliza a técnica de analógica para estudar processos hidrodinâmicos de escala molecular. A técnica proposta fornece uma alternativa relativamente simples de Fotônica e dispersão métodos tradicionais moleculares estudos hidrodinâmicos de feixe de nêutrons.

Ao apresentar resultados representativos, nos referimos a processos contínuo-tempo-escala como aqueles observados e previstos sobre prazos, <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq25.jpg"> que estão muito tempo em relação a escala de tempo da colisão grão característico, <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq26.jpg"> <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq27.jpg"> e partícula-tempo-escala processa como ...

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An Analog Macroscopic Technique for Studying Molecular Hydrodynamic Processes in Dense Gases and Liquids

É apresentado um método analógico experimentalmente acessível para estudar processos hidrodinâmicos moleculares em fluidos densos. A técnica utiliza Velocimetria por imagem de pilhas de grão vibratório, alto-restituição e permite a observação direta, macroscópica dos processos dinâmicos conhecidos e prevê-se que existem em fortemente interagindo, alta densidade de gases e líquidos.

Uma técnica macroscópica amáloga para estudar processos hidrodinâmicos moleculares em gases e líquidos densos

An analog, macroscopic method for studying molecular-scale hydrodynamic processes in dense gases and liquids is described. The technique applies a ...

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