Лаборатория падения башни для экспериментального моделирования пыли совокупных столкновениях в ранней Солнечной системе
5 июня 2014 г.
Мы представляем технику для достижения низкой скорости столкновения средней скорости между хрупких пыли агрегатов в лаборатории. Для этого, два вакуумных раскрывающемся башенные установок были разработаны, которые позволяют скоростях столкновения между <0,01 и ~ 10 м / с. События столкновений регистрируются высокоскоростной обработки изображений.
Общая цель данной процедуры заключается в экспериментальном моделировании столкновений между пылевыми агрегатами в ранней солнечной системе для изучения первых этапов формирования планет. Для этого сначала подготавливают два пористых пылевых агрегата, представляющих частицы пыли в молодой солнечной системе. На втором этапе оба пылевых агрегата помещают в одну из лабораторных башен свободного падения, настроенную для обеспечения столкновения агрегатов в условиях микрогравитации.
Затем проводится эксперимент, и высокоскоростные камеры фиксируют столкновение двух пылевых агрегатов. Заключительным этапом является анализ высокоскоростной записи столкновения с точки зрения потери энергии, переноса массы и фрагментации пылевых агрегатов. В конечном итоге эти результаты используются для разработки физических моделей столкновений пылевых агрегатов в молодой солнечной системе, которые необходимы для моделирования первых этапов формирования планет.
Данный метод может помочь в поиске ответов на ключевые вопросы в области формирования планет, такие как последствия столкновений строительных блоков планет. Идея этого метода возникла у нас при поиске способов проведения большого количества столкновений хрупких пылевых агрегатов на очень низких скоростях. Главное преимущество данной методики перед существующими методами, такими как коммерческие установки для создания микрогравитации, заключается в том, что эксперименты в лаборатории могут проводиться чаще и являются более экономически эффективными.
Визуальная демонстрация данного метода имеет решающее значение, поскольку этапы подготовки образцов трудно освоить из-за высокой хрупкости подготовленных материалов. Для начала рассчитайте количество материала, необходимое для получения желаемой формы, используя следующее уравнение. Просейте достаточное количество материала через сито с ячеями 0,5 мм C и засыпьте рассчитанную массу в форму.
Затем спрессуйте материал внутри формы, вручную надавив поршнем до тех пор, пока высота образца не достигнет 5 cm. После этого переверните форму. Откройте основание и осторожно вытолкните образец поршнем.
Для образцов со сферическими верхними частицами используйте механизм высвобождения частиц на нити. Для настройки такого типа высвобождения прикрепите частицу, которую необходимо высвободить, к нити. Это выполняется во время сжатия образца с использованием поршня с отверстием для нити.
Зафиксируйте нить, зажав ее между соленоидным магнитом и сплошным металлическим противолежнем для сферических образцов нижних частиц. Используйте механизм спуска люка. Начните с размещения частицы в полусферической форме.
В подходящий момент подайте электрический ток на соленоид верхнего механизма спуска. Для поворота люка вниз с помощью роторного соленоида подайте электрический ток; при исследовании более сложных структур, таких как кластеры сфер, установите два механизма спуска люков друг над другом. После загрузки обоих механизмов спуска люков подайте электрический ток, чтобы выпустить цилиндрические образцы в заданное время.
Установите на место двухступенчатый механизм разблокировки ножничного типа. Затем осторожно поместите цилиндрические образцы на разблокирующие пластины. Как и прежде, подайте электрический ток на соленоидные магниты, чтобы освободить образцы.
Если образец будет ускоряться, а не просто падать свободно, используйте механизм ускорения частиц, такой как линейный привод с электромагнитным управлением. При тестировании цилиндрических образцов в сочетании с ускорением частиц используйте двухкрылый механизм спуска с люком. Поместите цилиндрический образец пыли на закрытый люк.
Затем разблокируйте люк, подав электрический ток на электромагнит. Обратите внимание, что токозатворы препятствуют отскоку двери обратно к образцу для обеспечения столкновения на низкой скорости. Скорость составляет 0.09 meters per second.
Поместите одну из частиц размером один сантиметр в механизм подвешивания частицы на нити, а вторую частицу размером один сантиметр — на расстоянии семи миллиметров в механизм спуска через люк. Затем закройте стеклянную вакуумную трубку. Осторожно откройте клапан вакуумных насосов, чтобы начать медленную откачку воздуха из трубки.
Затем установите задержку срабатывания механизмов сброса на девять миллисекунд. Это означает, что сначала будет сброшен верхний пылевой агрегат, а через девять миллисекунд — нижняя частица; камеры будут сброшены в промежутке между ними. Далее закрепите камеры в соответствующих узлах сброса и включите освещение. Затем запустите непрерывную запись.
Когда будет достигнут требуемый вакуум (менее одного миллибара), нажмите кнопку сброса для запуска последовательности таймера; по завершении эксперимента загрузите последовательности изображений, записанные высокоскоростными камерами, на компьютер. Подготовьте два цилиндрических образца диаметром и высотой пять сантиметров для высокоскоростного столкновения: сначала установите один образец в механизм сброса с двухкрылой заслонкой, а второй — в держатель образца линейного ускорителя. После установки образцов подготовьте камеру, как и ранее, герметизировав стеклянную трубку и открыв вакуумный клапан для удаления воздуха из трубки.
Затем настройте тайминг механизма спуска и линейного ускорителя в соответствии с заданными условиями. Далее включите соответствующее освещение и начните запись на высокоскоростную камеру. После достижения требуемого вакуума ниже 0.01 millibar нажмите кнопку спуска, чтобы инициировать столкновение по завершении.
Скачайте последовательности изображений, записанные камерами, как и ранее для агрегатов разных размеров. Загрузите крупный образец в механизм высвобождения, затем поместите меньший образец на держатель образцов ускорителя. Эти изображения электронной микроскопии монодисперсных сферических и полидисперсных неправильных частиц силиката иллюстрируют физические характеристики образцов, используемых в лабораторных экспериментах в установке «падающая башня».
Агрегаты пыли могут быть изготовлены в различных размерах и формах, включая пылевые цилиндры диаметром 1 см, 2 см и 5 см, а также пылевые сферы диаметром 1 см и 2 см. Кроме того, при использовании рентгеновской томографии для реконструкции внутренней структуры образца цилиндрического пылевого агрегата могут применяться скопления светящихся сфер размером от 2 до 3 мм. Отчетливо видно, что данный образец с высокой пористостью был собран из пылевых агрегатов миллиметрового размера.
Шкала серого цвета обозначает коэффициент заполнения объема — отношение массовой плотности образца к плотности материала частиц мономерной пыли; скорости отскока при столкновениях анализировались путем отслеживания положений частиц во времени для определения скорости после и до столкновения. Отношение этих значений называется коэффициентом восстановления и описывает потерю энергии при столкновении. Проанализированные коэффициенты восстановления отложены в зависимости от скоростей столкновений.
Данные для сферической пыли, агрегатов и столкновений между цилиндрическими пылевыми агрегатами демонстрируют тенденцию к снижению коэффициента восстановления при увеличении скорости удара. После освоения эта методика может быть выполнена за один час при условии ее правильного проведения. Работа с частицами микронного размера может быть крайне опасной, поэтому во время процедуры всегда следует принимать меры предосторожности, такие как использование защитных масок, перчаток и вытяжных шкафов, подобных этому.
Обзор
В данном исследовании представлен лабораторный метод моделирования столкновений хрупких пылевых агрегатов на низких и средних скоростях, направленный на изучение процессов формирования планет. Метод основан на использовании вакуумных дроп-тауэр установок для достижения скоростей столкновения в диапазоне от <0.01 до ~10 m/sec с использованием высокоскоростной съемки для регистрации событий.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Формирование планет
- Астрофизика
- Экспериментальная физика
Теоретические сведения
- Понимание столкновений пылевых агрегатов имеет решающее значение для моделирования динамики ранней Солнечной системы.
- Хрупкие пылевые агрегаты представляют собой строительные блоки планет.
- Существующие методы моделирования таких столкновений зачастую дорогостоящи и проводятся редко.
- Данный метод позволяет проводить эксперименты в лабораторных условиях чаще и с меньшими затратами.
Цель исследования
- Моделирование и анализ столкновений пылевых агрегатов в контролируемых условиях.
- Исследование потерь энергии, массопереноса и фрагментации при столкновениях.
- Разработка физических моделей, объясняющих результаты этих столкновений в контексте формирования планет.
Используемые методы
- Подготовка пористых пылевых агрегатов, представляющих частицы ранней Солнечной системы.
- Использование вакуумных падайных труб для создания условий микрогравитации при столкновениях.
- Применение высокоскоростных камер для записи событий столкновений с целью детального анализа.
- Анализ записанных данных для оценки динамики и результатов столкновений.
Основные результаты
- Успешное моделирование низкоскоростных столкновений между пылевыми агрегатами.
- Детальные записи событий столкновения позволяют получить представление о потере энергии и фрагментации.
- Результаты способствуют пониманию начальных этапов формирования планет.
- Метод демонстрирует преимущества по сравнению с существующими установками для создания микрогравитации.
Выводы
- Данный метод представляет собой эффективный подход к изучению столкновений пылевых агрегатов в лабораторных условиях.
- Полученные результаты углубляют понимание процессов, лежащих в основе формирования планет.
- Метод может быть адаптирован для различных экспериментальных условий и типов образцов.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Лабораторные башни свободного падения позволяют точно моделировать столкновения пылевых агрегатов в условиях микрогравитации, что обеспечивает количественный анализ потери энергии, переноса массы и фрагментации. Эта возможность способствует механистическому снижению рисков и повышению прогностической достоверности физического моделирования на ранних стадиях, применимого в материаловедении и при изучении аналогов формирования планет. Данный подход обеспечивает масштабируемое и воспроизводимое проведение экспериментов в рамках научно-исследовательских циклов, основанных на проверке гипотез, где критически важна контролируемая динамика столкновений.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет проводить строгую проверку гипотез о физическом взаимодействии с использованием контролируемых параметров столкновения.
- Способствует снижению механистических рисков за счет количественной оценки диссипации энергии и результатов фрагментации.
- Облегчает прогностическое моделирование поведения агрегатов в определенных условиях микрогравитации.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированные, воспроизводимые системы для оценки результатов столкновений при различных скоростях.
- Предоставляет высокоскоростные количественные данные для последующих аналитических рабочих процессов.
- Позволяет масштабировать подготовку и тестирование агрегатов с различной морфологией и пористостью.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет результаты экспериментов с физическими моделями, актуальными для трансляционного материаловедения.
- Обеспечивает преемственность от этапа проверки гипотез на стадии открытия до доклинической валидации поведения агрегатов.
- Снижает риски при разработке физических моделей за счет предоставления надежных количественных данных о столкновениях.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Этот метод объединяет биологические исследования и физическое моделирование, поддерживая рабочие процессы от проверки гипотез до количественного анализа и валидации моделей.
- Открывающая биология: позволяет изолировать и тестировать переменные столкновений для выяснения механических путей.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные показатели для сравнения реакций агрегатов в контролируемых условиях.
- Аналитика: предоставляет данные высокоскоростной визуализации и коэффициента восстановления для надежного статистического анализа.
- Трансляционные исследования: связывают лабораторные результаты с прогностическими моделями, актуальными для доклинического материаловедения.
- Корпоративное повторное использование: предлагает многоразовую экспериментальную платформу, адаптируемую к различным типам агрегатов и сценариям столкновений.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов и снижает неоднозначность моделей физического взаимодействия.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизированные, масштабируемые и воспроизводимые рабочие процессы экспериментов.
- Стратегическая ценность: способствует принятию обоснованных решений о продолжении или прекращении работ, а также эффективному распределению ресурсов в портфелях НИОКР.
- Влияние на портфель: позволяет осуществлять приоритизацию физических моделей и экспериментальных подходов с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуются навыки в области подготовки образцов и планирования экспериментов в условиях микрогравитации.
- Необходима инфраструктура для высокоскоростной съемки и возможности вакуумных систем.
- Требуется стандартизация между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимости изготовления агрегатов и механизмов их высвобождения.
- Метод адаптируем к различным размерам, формам и пористости агрегатов в соответствии с протоколом.
- Практические ограничения включают работу с хрупкими образцами и соблюдение мер предосторожности при обращении с мелкодисперсными материалами.
