Name: 高密度の気体と液体の分子流体力学的過程を研究するためのアナログ巨視的手法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-04T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 3 s
Description: 学ぶ高密度気体と液体の分子流体力学的過程を研究するアナログ巨視的手法。粒子画像流速測定を用いて振動する粒状媒体の動態を直接観察し、相互作用する粒子系の統計力学を実験的に解明する。

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この作品は、海軍研究局 (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik ・ Keanini] でサポートされているし、メディアは、Rosler によって寄付されたシャーロットのモーター スポーツ研究所研磨でノースカロライナ大学でを行うだった。

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分子流体力学的プロセスを調査するためには、巨視的な類縁体として振動粒杭を使用、するために、想いをしましたする必要があります、一方で学ぶ 4 つの基本的な測定を使用してし、一方で、平衡のいくつかの基本的な要素をマスターし、非平衡統計力学。最初実験測定に着目し、これらが含まれて: i) 単一粒子速度相関関数、ii) 時間の平均/長期スケール表面粒の速度の測定の観測を通じた個々 の穀物のダイナミクス計測フィールド、iii) 粒メディアの効果的な粘度、および iv の測定) メディア ボール、空とメディアでいっぱいの振動スペクトルの測定。
単一粒子速度相関関数の測定
単一粒子速度相関関数の測定を介して個々 の粒子、本手法における振動粒またはマイクロ スケールにおける分子のランダムなダイナミクスを検討している<img alt="Equation 38" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq38.jpg"> 2。小、例えば、二原子分子、三原子分...

分子流体力学は、ダイナミクスと個々 の分子の統計力学および流体内の分子のコレクションを研究します。多くの実験の中で分子流体システム1,2, 光散乱1,2,3, 分子動力学シミュレーション4、勉強のために開発 5,6,7より少ない程度に、中性子非弾性散乱8を最も一般的に使用されています。残念なことに、後者の 2 つの方法に重要な制限を添付します。分子動力学 (MD) シミュレーション、例えば: i) は時空小限定<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq1.jpg">比較的少数の分子を含むドメイン<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq2.jpg">、ii) を使用する必要おおよその粒子間電位の iii) 通常周期を紹介境界条件、非平衡バルク フロー条件、および iv の下で無効な) 現時点では、どのように分子動力学、分子または分子のコレクションのいずれかを含むの基本的な質問を答えることができない、受けますが、カップルバルクは、非平衡流体の流れに戻る。中性子散乱に関連付けられている主な制限は、利用可能な中性子ビーム源の限られた数にアクセスする難しさに結びついています。
この記事で紹介したアナログの実験技術のコンテキストを提供するためには、単純な高密度ガスと液体状態の流体に適用される光散乱技術を強調表示します。典型的な光散乱実験で偏光レーザー光ビームは静止流体のサンプルを含む小さな尋問ボリュームに送られます。サンプル内の分子からの散乱光が入射ビームに対していくつかの固定角度でそれから検出されます。興味の分子の動的な政権によって散乱光信号の検出と解析を組み込んだ光フィルタ リングまたは光検出方法を混合します。ベルンとペコラの1に従って、フィルタ リング技術、スケールはより短い時間に流体状態分子動力学をプローブする<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq3.jpg">s、後散乱干渉計や回折格子を紹介し、スペクトル密度のスキャンを許可します。散乱光。ミキシングのテクニック、遅い時間スケールのダイナミクス用光<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq4.jpg">s、対照的に、組み込む散乱信号のスペクトルの分布は測定された散乱光から抽出する、散乱後自己相関器またはスペクトラム アナライザー強度。
一般に、レーザー プローブ、少なくともこれらのスペクトルの目に見える範囲内で液体状態の分子の特性の間隔よりも長い波長を持っています。これらの状況下でプローブ ビーム励起 5 集団があり、遅い時間スケール、全長波流体モード2,9,10 (特性の衝突の頻度を基準にして低速): 2 つの粘性対向する音の波、2 つの共役、純粋な拡散渦モード、および単一拡散熱 (エントロピー) モード、減衰します。渦モードが横方向に興奮している間、サウンド モードは入射ビームの (縦) 方向に興奮しています。
純粋に実験的手法、平衡の心そして分子の非平衡統計力学の横になっている 2 つの基本的な質問を散乱を考慮した液体状態のシステムは、光と中性子散乱測定を超えて残る。 1) 厳格な引数9,11ショーの古典的なニュートン力学や量子力学の対象と、個々 の液体状態の分子のランダムな衝突とサブ-衝突-時間スケール動力学を作り直したことができます、一般化ランジュバン方程式 (GLE) の形。GLE の順番に、高密度の気体や液体中の分子の非平衡統計力学の研究では中心的な理論的ツールで構成されます。残念ながら、個々 の (非高分子) 分子のダイナミクスは、どちらの散乱法で解決できない、以来無い現在 GLE の有効性をテストする分子動力学シミュレーションを超えて、直接的な方法。 2) 巨視的連続流体の中心部で横になっている根本的な仮説、同様のマイクロ分子流体力学、それの長さと時間のスケール分子径と連続体を基準にして数回、しかし小さな衝突に比べて大きいを仮説します。長さと時間のスケール、ローカル熱力学の平衡 (LTE) が優先されます。(NS) ナビエ-ストークス方程式のような連続体の流動および熱伝達モデル LTE 想定していますカップルは本質的に非平衡、連続スケールのフローとエネルギー輸送の機能するために必要な9 -粘性せん断応力のように、熱伝導-厳密に平衡熱力学的性質、温度と内部エネルギーのように。同様に、マイクロ スケールの運動量とエネルギーの輸送は本質的に非平衡プロセス、結合、マイクロ スケール固まりの出現を反映してこれらのマイクロ プロセスの勢いとエネルギー流モデルと仮定電流LTE9から小さな摂動を表してください。もう一度、我々 の知識の限りでなかった LTE 前提の直接実験。特に、高密度、移動、非平衡流体内流体分子の散乱実験を試行されているはないようであります。
この稿では、直接予測できない、標準粒子画像流速測定法 (PIV) を用いて振動粒杭のマクロスコ ピックの単一の粒子の集合体学に使用でくアナログ実験的な手法をまとめました解釈、および高密度の気体と液体でシングルとマルチ molecule 流体力学を公開します。私たちのグループ12によって発表された最近の論文で提案手法を可能にする物理・理論的要素のとおりです。実験的に、巨視的な系を表わさなければならない: (i) (弱い) の非平衡揺らぎを模倣するローカル、マクロ統計力学的平衡、および (ii) 小さい平衡から出発線形持続的な傾向が観察分子流体力学的システム。理論: 平衡および高密度の弱非平衡統計力学を記述する (i) 古典的なマイクロ スケール モデル、N 粒子システムの相互作用する必要があります。 改鋳されるマクロの形で、(ii) の結果のマクロ モデルを確実にする必要があります。短い、粒子-衝突-タイム スケール、長い連続-流れ-時間 - スケールからの単一および複数粒子ダイナミクスを予測します。
ここでは、新しい手法により得られた代表的な結果と同様に、詳細な実験的プロトコルを提案します。分子動力学シミュレーションと光と中性子散乱法と対照をなして新しいテクニックができます、最初の時間の流れる、強く非平衡、密なガス、液体内の分子の流体力学的プロセスの詳細な研究。

<table><tbody><tr><td>振動研磨ボウル</td><td>Raytech</td><td>AV-75</td><td></td></tr><tr><td>流量計</td><td>蠕動ポンプ</td><td>913 Mity Flex</td><td></td></tr><tr><td>Scale</td><td>Pelouze</td><td>4040</td><td></td></tr><tr><td>三軸加速度計</td><td>PCB ピエゾトロニクス</td><td>PCB 356B11</td><td>加速度計 センサー付き 信号コンディショナー</td></tr><tr><td>データ収集コンピューター</td><td>IBM</td><td>Thinkpad</td><td>高スピードカメラ</td></tr><tr><td>ハイスピードカメラ</td><td>レッドレイク</td><td>Motionxtra HG-XR</td><td></td></tr><tr><td>ズームレンズ</td><td>タムロン</td><td>A18</td>型 <td>18-250mm F/3.5-6.3&nbsp;</td></tr><tr><td>高輝度 Light</td><td>ARRI</td><td>EB 400/575 D</td><td></td></tr><tr><td>データ処理コンピュータ</td><td>Dell</td><td>Dell Precision Tower 7910</td><td></td></tr><tr><td>PIV ソフトウェア&nbsp;</td><td>Dantec Dynamics</td><td>Dynamic Studio 2013</td><td>version 3.41.38</td></tr><tr><td>データ収集ハードウェア</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>データ処理ソフトウェア</td><td>MATHWORKS</td><td>MATLAB</td><td></td></tr><tr><td>研磨 メディア</td><td>Rosler</td><td>RSG10/10S</td><td>複数のメディアタイプを使用(混合、球形、三角形)</td></tr><tr><td>研磨液</td><td>ロスラーFC</td><td>KFL (3%)</td>3<td>% 水入り石鹸液</td></tr><tr><td>支配スケール</td><td>スイス精密機器</td><td>13-911-3</td><td></td></tr><tr><td>メスシリンダー</td><td>グローバルサイエンティフィック</td><td>601082</td><td></td></tr></tbody></table>

高密度の気体と液体の分子流体力学的過程を研究するためのアナログ巨視的手法

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

アナログ、巨視的高密度の気体と液体の分子スケール流体プロセスを勉強する方法が説明されています。テクニック適用、標準液動的診断、粒子画像流速測定 (PIV) を測定する: i) 個々 の粒子 (粒)、短い、粒の衝突に関する現存する速度の時間スケール、ii) の両方の短い粒子のシステムの速度衝突-時間と長く、連続フロー時間スケールの iii) 高密度分子流体と iv に存在する知られている集団の流体モード) 短・長期-時間スケール速度相関関数、中央の粒子スケールのダイナミクスを理解するため強く相互作用する、高密度流体システム。基本的なシステムは、イメージング システム、光源、振動センサー、振動システム知られているメディア、および PIV 解析ソフトウェアで構成されます。必要な実験とアナログの技術を使用して分子流体力学的プロセスを研究するときに必要な理論的ツールのアウトラインが強調表示されます。提案手法は、光に比較的簡単な代わるし、中性子ビーム散乱法分子の流体力学的研究で伝統的に使用します。

代表的な結果を提示、我々 を参照してください連続時系列プロセス、それらの観測・予測、時間スケールで<img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq25.jpg">長特性粒衝突時間スケールを基準にしている<img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq26.jpg"> <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq27.jpg"> 、 粒子時間スケール観察し、時間スケールで予測したものとして処理<img alt="Equation 28" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq28.jpg">のためにまたはより小さい<img alt="Equation 29" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq29.jpg"> <img alt="Equation 30" s...

高密度流体中の分子の流体力学的過程を研究するため実験的にアクセス可能なアナログ方式である. します。テクニックは振動、高反発粒杭の粒子画像流速測定法を使用し、動的プロセス知られているし、強く相互作用する、高密度気体、液体中に存在する予測の肉眼で直接観察を可能します。

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

この手順の全体的な目標は、振動した穀物パイルの単一および集団の粒子ダイナミクスを測定するアナログ技術を使用して、液体中の分子スケールの流体力学プロセスを研究することです。この手法の主な利点は、複雑な分子スケールのダイナミクスを直接観察するための実験的にアクセス可能な逆マイクロシェルを提供することです。この手法は、相互作用する粒子系の統計力学と強く結びついているため、この分野の基本的な問題に対する実験的研究の扉が開かれます。この手法は、私たちが調査している振動する穀物の山のような、相互作用する巨視的な粒子システムの統計力学の研究にも適用できます。一般に、この手法を使用する個人は、実験を設計する際に実験的観測を解釈するために必要な平衡統計力学と非平衡統計力学の要素を学ぶのに苦労します。この手法は、通常ミクロンスケールの粒子の動きを測定するために使用される粒子イメージング速度測定法をセンチメートルスケールの粒子の動きに拡張するため、視覚的にデモンストレーションすることが重要です。実験では、この振動システムを使用しています。これは、振動を発生させるために単一の速度アンバランスモーターに取り付けられた環状のポリウレタンボウルで構成されています。これらは加重ベースに取り付けられ、スプリングのグループで区切られています。ボウルアセンブリをゴム製のフックでスタンドに取り付けます。ボウルの内側に、三軸加速度計を取り付けます。これは、振動システムから離れたテーブル上のセンサー信号に接続されています。次に、実験用に選択したメディアを操作します。この場合、一辺の長さが等しいセラミック研磨媒体のストレートカット三角形を使用します。振動ボウルにメディアを追加しますボウルの近くに、メディアを濡らす準備ができている水と仕上げのコンパウンド溶液を用意します。また、振動ボウル内の流体を移動させるために、蠕動ポンプをセットアップします。ポンプからボウルの上部までプラスチックチューブを通します。ポンプ速度を設定しますが、フローを開始しないでください。イメージングには、ハイスピードカメラをセットアップします。目的の表面積分と解像度に適したレンズを選択してください。振動システムから隔離された構造物にカメラを支えます。カメラを取り付けるときは、カメラの長さをメディアの開放面に対して垂直で、その上550ミリメートルにする必要があります。次に、カメラを電源、GPSアンテナ、およびコンピューターに接続します。パソコンでカメラソフトを起動し、カメラを選択します。ソフトウェアを使用して、カメラの視野をライブで表示します。セットアップでは、明るい光を使用してテスト領域を照らします。選択した視野は、均等に照らされる必要があります。次に、カメラソフトウェアを使用して、500倍の倍率にデジタルズームインします。カメラで、レンズのフォーカスリングを調整します。目標は、データ収集に最適な光学的焦点を実現することです。次に、デジタルズームを倍率なしに戻します。カメラの取得速度を設定して続行します。画像を撮る前に、視野に罫線付きのスケールを配置します。カメラを使用して、その 1 つの画像を記録します。カメラから削除する前に、画像をTIFFファイルとして保存してください。カメラの準備ができたら、振動ボウルを開始する準備をします。容器から150ミリリットルの仕上げコンパウンド溶液を取り出します。150ミリリットルを振動ボウルに取り、溶液を均等に広げて、メディアの初期濡れを提供します。次に、コンパウンドの大きな容器を蠕動ポンプの近くの床に置きます。ポンプを作動させる前に、ポンプから容器にホースを取り付けてください。この時点で、振動ボウルを開始し、最低1分間待ちます。フローが定常状態の状態で、カメラをトリガーして、選択したランタイムの視野内のアクションを記録します。これらの記録されたフレームはビデオ化されています。データが収集されたら、振動システムを停止します。その後、蠕動ポンプを停止します。処理は、取得した画像をTIFFファイルとしてパソコンに保存し、グレースケールに変換してください。その後、速度測定ソフトウェア環境の粒子画像で作業を開始します。[ファイル]に移動し、そこから[インポート]、[画像のインポート]の順に移動します。Import Wizardダイアログボックスで、「Single Frame」を選択し、次に「Add Images」を選択します。次に、キャリブレーション画像を選択して、インポートする画像に追加します。「画像の追加」を再度クリックし、すべてのデータ画像をハイライト表示してインポート対象を選択します。[次へ] をクリックして続行します。次の画面で、フレームレートとピクセルピッチを含むカメラ設定を入力します。これらを入力したら、[次へ] をクリックし、[完了] をクリックします。次に、コンテンツリストに移動します。キャリブレーション イメージが最初に表示されます。2 番目の画像を右クリックし、[ここからアンサンブルを分割] を選択して 2 つの画像セットを作成します。キャリブレーション画像のみを含む画像セットをつかみ、[新しいキャリブレーション]というラベルの付いた場所にドロップします。次に、キャリブレーション画像セットを右クリックし、[スケールファクターの測定]を選択します。キャリブレーション画像が画面に表示されます。画像で、Aマーカーを終了イメージルーラーに配置します。次に、Bマーカーを定規の別の位置に配置します。に移動します 絶対距離 テキストボックスをクリックし、定規に従ってマーカー間の距離を入力します。[OK] をクリックして設定を保存し、続行します。次に、キャリブレーション画像なしでインポートされた画像セットを選択します。移動して [分析] をクリックします。「ダブルフレームにする」を選択します。次に、スタイルオプションから画像のペアを作成することを選択します。インテロゲーション領域を定義するには、キャリブレーションされていない任意のイメージを開きます。画像を右クリックして、[Particle Density] を選択します。表示されるダイアログボックスに、プローブ領域のズームビューが表示されます。[設定]タブをクリックし、プローブサイズ領域の変更を開始します。目的は、プローブ領域に少なくとも 3 つの粒子を一貫して存在させることです。後で使用するために、プローブ領域のサイズをメモしておいてください。「分析」に戻り、「適応相関」手法を選択します。[OK] をクリックします。尋問エリアタブに移動し、それをクリックします。そこで、3つ以上の粒子を識別できる、以前に決定されたインテロゲーション領域を選択します。「適応相関」ダイアログ・ボックスで「OK」をクリックして、分析を実行します。解析が進むにつれて、最初のいくつかの速度フィールドを視覚的に検査します。これは、メディアのグレースケール画像にベクトル場をオーバーレイした例です。この場合、ベクトルの長さと方向は一貫していないか、適切ではないように見えます。ベクターマップが生成されるときに視覚的に検査して、結果が現実的であることを確認します。結果が満足のいくものでない場合は、プロセスを停止し、インテロゲーション領域などのユーザー定義の入力を変更してから、解析を再開します。これは、満足のいくベクトル場の例です。再び、グレースケール画像に重ねて表示します。解析が完了すると、セット内の画像ペアごとに視野にまたがるベクトル場が作成されます。粒子画像速度測定データにより、システム内の点での速度分布をマクスウェルボルツマン分布に適合させることができます。画像は実験で使用した粒子のものです。赤いバーは1センチメートルを表しています。青色のデータは、測定された水平方向の特異な粒子速度の正規化されたヒストグラムを表しています。多くの粒子タイプのデータは、散逸のないハミルトニアンダイナミクス、速度に依存しない粒子間ポテンシャルエネルギー、およびポテンシャルに依存しない運動エネルギーと一致しています。さらに、それらは局所的な巨視的な力学的平衡の証拠を提供します。単一粒子の速度自己相関関数は、粒子衝突の特性数の関数であり、速度測定データからも抽出できます。単粒のダイナミクスは、分子液体や高密度ガスで予測されるダイナミクスを定性的に模倣しています。これらのスペクトルは、同時コンテナ加速度測定における粒子画像速度測定から決定されます。穀物の山の容器システムの共鳴音波は空の容器の共鳴の音響モードと一致します。局所的な特異な流体速度のスペクトルにおける音響モードは、実験の限界のために明らかではありません。この手法は、分子の予測不可能な液体状態のダイナミクスから予測可能で観察可能な流体の流れがどのように現れるかなど、液体の分子流体力学における重要な質問に答えるのに役立ちます。一度マスターすれば、この手順の実験部分は1時間未満で完了することができます。PIVの処理とデータ分析には、データ処理システムに応じて、1時間から数日かかる場合があります。振動した粒子系での観察を分子流体力学に結びつけるためには、平衡統計力学と非平衡統計力学の要素を学習する必要があることを認識することが重要です。この開発に続いて、この手法は、振動駆動の穀物の流れの流体力学シミュレーションを実験的に検証するために使用され、非平衡統計力学によって予測されたものに対する粒子流体の粘度を測定するための試験も行われています。このビデオを見た後、最初にPIVシステムを設定して振動粒子システムを測定する方法と、次にこれらの測定値を使用して分子流体力学システムを調査する方法について、ある程度理解できるはずです。

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この手順の目的は、簡単かつ迅速にカスタマイズ可能なジオメトリとオイルの回復研究有機液体による膨潤抵抗マイクロ流体デバイスを生成することです。ポリジメチルシロキサン金型で最初に生成されたあり、エポキシ...

油回収用多孔質媒体における細孔スケール イベント プロセスを特徴づけるためのマイクロ流体デバイス

複数の粒子がソフトの問題に対する反復相転移のレオロジー効果を研究するレオロジー測定を追跡を可能にするマイクロ流体デバイスの作製使いを紹介しています。...

繰り返し相転移の間に柔らかい物質のレオロジー的性質を決定するためのマイクロ流体システムとレオロジーを組み合わせること

液滴衝撃流れる液膜による波の貢献を研究するためのプロトコルが表示されます。...

液滴衝撃による薄膜を流れる液膜に波の貢献を研究するフィルム コントロール

溶融物や流体は、自然界における大量輸送のユビキタスベクターです。我々は、このようなシステムのab...

AB Initio分子動力学シミュレーションからの溶融物と流体の分析

本稿では、界面形態を可視化しながら界面張力と表面拡張レオロジーを同時に測定するためのマイクロテンシオメータ/共焦点顕微鏡の設計と操作について述べる。これにより、技術や生理学において重要な界面の構造と特性の関係をリアルタイムに構築することができます。...

動的界面の共焦点顕微鏡可視化のためのマイクロテンシオメータ

学ぶ高密度気体と液体の分子流体力学的過程を研究するアナログ巨視的手法。粒子画像流速測定を用いて振動する粒状媒体の動態を直接観察し、相互作用する粒子系の統計力学を実験的に解明する。

高密度の気体と液体の分子流体力学的過程を研究するためのアナログ巨視的手法

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