Summary
تأثير انخفاض السوائل غير النيوتونية هي عملية معقدة منذ المعلمات المادية المختلفة تؤثر على ديناميات على مدى فترة زمنية قصيرة جدا (أقل من عشر من ميلي ثانية واحدة). يتم إدخال تقنية التصوير السريع من أجل توصيف سلوكيات تأثير مختلف السوائل غير النيوتونية.
Abstract
في مجال ميكانيكا السوائل، والعديد من العمليات الديناميكية تحدث ليس فقط على مدى فترة زمنية قصيرة جدا ولكن أيضا تتطلب قرار مكانية عالية للمراقبة مفصلة، والسيناريوهات التي تجعل من التحدي لمراقبة مع أنظمة التصوير التقليدية. واحد من هذه هو تأثير انخفاض السوائل، والذي يحدث عادة في غضون عشر من ميلي ثانية واحدة. لمعالجة هذا التحدي، هو عرض تقنية التصوير السريع الذي يجمع بين كاميرا عالية السرعة (قادرة على ما يصل إلى مليون لقطة في الثانية) مع عدسة الماكرو مع مسافة عمل طويلة لجلب القرار المكانية من الصورة وصولا الى 10 ميكرون / بكسل. تقنية التصوير تمكن قياس دقيق لكميات السوائل الحيوية ذات الصلة، مثل مجال تدفق، والمسافة وسرعة انتشار الرش، من تحليل الفيديو المسجل. للتدليل على قدرات هذا النظام التصور، وديناميات التأثير عندما قطرات من السوائل غير النيوتونية تؤثر على سطح صلب مسطح هي شخصيتrized بين. تعتبر حالتين: للأكسدة قطرات المعدن السائل ونحن نركز على سلوك الانتشار، وللتعليق المكتظ نحدد بداية الرش. أكثر عموما، فإن الجمع بين التصوير القرار الزمانية والمكانية عالية أدخلت هنا يوفر مزايا لدراسة ديناميكية سريعة عبر مجموعة واسعة من الظواهر الميكروسكيل.
Introduction
إسقاط أثر على سطح صلب هو عملية أساسية في العديد من التطبيقات التي تنطوي على افتراء الالكترونية 1، 2 رذاذ الطلاء، والمضافات التصنيع باستخدام الطباعة النافثة للحبر 3،4، حيث مراقبة دقيقة من هبوط نشر والرش هو المطلوب. ومع ذلك، الملاحظة المباشرة للتأثير انخفاض يمثل تحديا تقنيا لسببين. الأول، هو عملية ديناميكية معقدة الذي يحدث داخل فترة زمنية قصيرة جدا (~ 100 μsec) ليتم تصويرها بسهولة عن طريق نظم التصوير التقليدية، مثل المجاهر البصرية وكاميرات DSLR. فلاش التصوير يمكن من الصورة بالطبع أسرع بكثير، ولكن لا تسمح لتسجيل مستمر، كما هو مطلوب لتحليل مفصل للتطور مع مرور الوقت. الثانية، ومقياس طول الناجمة عن عدم الاستقرار أثر يمكن أن تكون صغيرة مثل 10 ميكرون 5. وبالتالي، لدراسة كميا عملية تأثير النظام الذي يجمع بين التصوير فائق السرعة جنبا إلى جنب مع قرار مكانية عالية معقول في كثير من الأحيانالمطلوب. في غياب مثل هذا النظام، والعمل في وقت مبكر تأثير قطرات تركز معظمها على تشويه هندسية العالمية بعد التأثير 6-8، ولكن لم يتمكن من جمع معلومات حول وقت مبكر، والعمليات المرتبطة nonequilibrium الأثر، مثل بداية الرش. دفعت التطورات الحديثة في CMOS عالي السرعة بالفيديو من السوائل 9،12 معدل الإطار ما يصل إلى مليون إطار في الثانية ومرات التعرض الأسفل μsec 1. وعلاوة على ذلك، يمكن للتقنيات التصوير CCD وضعت حديثا دفع معدل الإطار أعلاه من مليون في الثانية 9-12. ، ويمكن زيادة القرار المكانية من ناحية أخرى لأمر 1 ميكرون / بكسل باستخدام العدسات المكبرة 12. نتيجة لذلك، فقد أصبح من الممكن لاستكشاف بتفصيل لم يسبق له مثيل تأثير مجموعة واسعة من المعلمات المادية على مراحل مختلفة من تأثير انخفاض ومقارنة منهجية التجربة والنظرية 5،13-16. على سبيل المثال، كان الانتقال تناثر السوائل النيوتونية في فوالثانية تحددها ضغط الغلاف الجوي 5، في حين تقرر الريولوجيا الجوهرية ديناميات انتشار السوائل الغلة الإجهاد 17.
هنا يتم إدخال تقنية التصوير السريع بسيطة لكنها قوية والتطبيقية لدراسة ديناميات تأثير نوعين من السوائل غير النيوتونية: المعادن السائلة والمعلقات المزدحمة بالسكان. مع التعرض للهواء، وذلك أساسا عن المعادن السائلة (باستثناء الزئبق) سوف تتطور بشكل عفوي على الجلد أكسيد على سطحها. ميكانيكيا، تم العثور على الجلد لتغيير التوتر السطحي فعالية وقدرة ترطيب المعادن 18. في ورقة سابقة 15، ودرس العديد من المؤلفين عملية نشر كميا وكانت قادرة على شرح كيفية تأثير الجلد يؤثر على ديناميكية التأثير، خصوصا التحجيم من أقصى نصف قطر الانتشار مع معلمات التأثير. منذ المعدن السائل يحتوي على نسبة عالية انعكاسية السطح، مطلوب التعديل حذرا من الإضاءة في التصوير. تعليق علىإعادة تتألف من جزيئات صغيرة في السائل. حتى بالنسبة للسوائل نيوتن بسيطة، إضافة نتائج الجزيئات في السلوك غير النيوتونية، الذي يصبح وضوحا خاصة في تعليق كثيفة، أي في جزء ارتفاع حجم الجسيمات العالقة. بشكل خاص، وقد درس بداية تناثر قطرات التعليق عندما يضرب على نحو سلس، سطح صلب في الأعمال السابقة 16. كل من الجسيمات السائل والتفاعلات بين الجسيمات يمكن تغيير سلوك الرش كثيرا عن ما يمكن توقعه من السوائل بسيطة. لتعقب جزيئات صغيرة مثل 80 ميكرون في هذه التجارب هناك حاجة لقرار مكانية عالية.
مزيج من مختلف المتطلبات التقنية مثل القرار الزماني والمكاني عالية، بالإضافة إلى القدرة على رصد الآثار سواء من الجانب ومن أدناه، يمكن أن يكون راضيا كل ذلك مع الإعداد التصوير الموصوفة هنا. باتباع بروتوكول قياسي، هو موضح أدناه، ويمكن أن يكون تأثير ديناميات التحرياتtigated بطريقة تخضع للمراقبة، كما هو موضح صراحة لنشر والرش السلوك.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. الإعداد التصوير السريع (انظر الشكل 1)
- تبدأ من خلال إنشاء عمودي على طول المسار الذي حاوية مليئة السائل لدراستها يمكن نقل بحرية لضبط سرعة التأثير. السائل يترك الجزء السفلي من الحاويات من خلال فوهة ثم يدخل السقوط الحر. لهذا العمل وقد تباينت ذروة السقوط 1-200 سم لإعطاء تأثير السرعة V = 0 (0،4-6،3) ± 0.15 متر / ثانية.
- بناء وتركيب إطار لعقد الطائرة أثر أفقي، عادة ما يكون لوحة من الزجاج، والتي بموجبها يتم وضع مرآة عاكسة يميل لتصور أثر هبوط من أسفل.
- وضع لوحة زجاجية نظيفة وناعمة على حامل. تأكد من أن يتم تسوية وحة أفقيا.
- شن ضخ حقنة على المسار الرأسي.
- للتأثير المعدن السائل، وضع الناشر ورق شفاف وراء فوهة جانبية لعرض التصوير. في نفس الوقت، ونعلق ورقة بيضاء غير شفافة فوق ضخ حقنة لتوليدانعكاس لأسفل عرض (انظر الشكل 1). ثم، حدد موقع مصدر الضوء وراء فوهة.
- للتأثير تعليق الكثيفة، وليس هناك حاجة الناشر. بدلا من ذلك، مجرد مكان مصدر الضوء في مقدمة الطائرة التصوير.
- حدد عدسة الماكرو مع البعد البؤري المناسب لالتكبير المطلوب ومسافة العمل البصرية. بعد ذلك، ربط العدسة إلى الكاميرا.
- تركيب كاميرا على حامل ثلاثي القوائم وضبط ارتفاع الكاميرا وفقا لمنظور التصوير (الجانب أو أسفل).
2. تحضير العينة
- إعداد أكسدة المعدن السائل
- متجر الغاليوم، الإنديوم سهل الانصهار (eGaIn) في حاوية مغلقة. منذ درجة حرارة انصهاره حوالي 15 درجة مئوية، eGaIn يبقى في حالة سائلة في درجة حرارة الغرفة.
- استخدام ماصة لاستخراج 3 مل eGaIn من الحاوية وقذف وضعها على لوحة الأكريليك. انتظر 30 دقيقة للعينة أن تتأكسد تماما في الهواء. باعتبارها consequeالامتحانات التنافسية الوطنية، طبقة رقيقة من الجلد المتجعد تتأكسد يغطي كامل سطح العينة.
- استخدام حمض الهيدروكلوريك (حمض الهيدروكلوريك؛ "تنبيه") من تركيزات مختلفة لprewash العينة eGaIn وللسيطرة على أكسدة السطح. على وجه التحديد، القص العينة، أثناء وجوده في الحمام حامض، في 60 ثانية -1 معدل القص مع مقياس غلفاني. بعد 10 دقيقة من القص، ومستوى أكسدة السطح في العينة تصل إلى التوازن، التي وضعتها تركيز حمض الهيدروكلوريك 15،18.
- بعد هذا prewash، استخدم حقنة بلاستيكية مع طرف فوهة الصلب لاستخراج eGaIn من الحمام.
- جبل المحقنة إلى ضخ حقنة وتكون جاهزة للتجربة.
- إعداد معلقات كثيفة
- تقطع نهاية حقنة التجارية (4.5 ملم أو 2.3 ملم في دائرة نصف قطرها) واستخدامه بمثابة أنبوب أسطواني للاستغناء عن تعليق الكثيفة.
- سحب المكبس وملء المحاقن مع المياه على طول الطريق إلى نهاية مفتوحة، مما يجعل لياليلدى عودتهم ليس هناك فقاعة الهواء مجرور.
- وضع كروية ZrO 2 أو الخرز الزجاجي في حقنة. مع الترسيب من الجسيمات، وسوف تمتد إلى المياه من الفوهة. ملء المحاقن مع الجسيمات على طول الطريق إلى نهاية مفتوحة. سوف تعليق مربى تحت الجاذبية.
- استخدام شفرة حلاقة لإزالة جزيئات اضافية المبللة من أعلى للحفاظ على هذه الغاية مسطحة.
- الوجه خلال فوهة وتركيبها على ضخ حقنة. والتوتر السطحي منع الجزيئات من السقوط على الأرض 16.
3. معايرة
قبل جمع أشرطة الفيديو، والمعلمات من جهاز التصوير يجب أن يتم تعيين المحاذاة والإضاءة لابد من الانتهاء. أيضا، يحتاج القرار المكانية التي يمكن معايرتها.
- بدء ضخ حقنة بسرعة 20 مل / ساعة على طرد السائل (المعدن السائل أو تعليق) من فوهة.
- انتظر السائل لفصل من الحقنة، وشكل انخفاض وسقوطو لإحداث تأثير الاختبار على الركيزة الزجاج.
- ضبط موضع الكاميرا، بما في ذلك موقفها التوجه الرأسي والتصوير، للعثور على تنبيه في شاشة الكمبيوتر الذي يتصل الكاميرا. تعديل المسافة العمل لترتيب الصورة لتكون في المستوى البؤري عندما يتم إصلاح نسبة تكاثر العدسة في 1:1.
- تختلف حجم الفتحة، وقت التعرض وزاوية الإضاءة للحصول على أفضل جودة الصورة عند معدل الإطار عالية بما فيه الكفاية (> 6،000 إطارا في الثانية). الشكل 2 (أ) تبين الصور النمطية التي اتخذتها الكاميرا لكلا السائل eGaIn وتعليق كثيفة.
- وضع مسطرة في مجال الرؤية (انظر الشكل 2 (ب)) وحساب القرار المكانية عن طريق عد كم من بكسل تناسب عبر 1 سم. تأكد من وجود أي اختلاف في القرار بين الاتجاهين الأفقي والرأسي.
- اتباع 3 خطوات عملية لقياس جزء من التعبئة الكثيفة قطرة التعليق:
- قياس كتلة والأنف والحنجرةغضب الحق تنبيه بعد الأثر (على سبيل المثال عن طريق السماح سقوط قطرة في كوب القياس التي يمكن أن يكون وزنه بدقة).
- ثم، تتبخر كل مذيب مع سخان وتزن تنبيه مرة أخرى للحصول على كتلة الجسيمات.
- حساب حجم الجسيمات وسائل للحصول على جزء التعبئة والتغليف. عادة، يجب أن يكون هذا جزء حجم حوالي 60٪.
- وفقا لاتجاه الملاحظة (أسفل أو الجانب)، ضع الكاميرا بشكل مناسب. على وجه الخصوص، وضع الكاميرا بجانب الركيزة لعرض الجانب أو على نفس المستوى من المرآة العاكسة للتصوير أسفل.
4. تسجيل الفيديو والحصول على البيانات
- بعد المعايرة والتصوير، وإعادة ضخ حقنة. في نفس الوقت، فتح كاميرا مراقبة برامج لمراقبة عملية التأثير.
- تعيين الإطار أرقام اثار آخر في ما يقرب من نصف طول الفيديو. مشاهدة بعناية عندما يبدأ الانخفاض لتشكيل ويدويا علم حساب المثلثاتGER الكاميرا في لحظة عندما يفصل قطرة من فوهة. إجراء بعض الاختبارات الممارسة قبل تسجيل البيانات.
- بعد تسجيل البيانات، وتقليم أسفل الفيديو إلى الجزء الذي يحتوي على الآثار وحفظ أشرطة الفيديو وتسلسلات الصور للتحليل.
5. الصورة بعد المعالجة والتحليل
- استخدام أسلوب الكشف الحدود لتحديد موقع الجبهة تتحرك من السائل eGaIn كما ينتشر، والذي يتوافق مع انتقال حاد في متوسط قيمة بكسل (أنظر الشكلين 3 (أ ب)).
- من الصور سواء القاع، والجانب، وتحديد بداية الرش التعليق الكثيفة.
- أداء الخوارزميات الجسيمات تتبع للحصول على آثار من الجزيئات الفردية التي هربت من تنبيه (انظر الشكل 3 (ج)). ثم، وحساب سرعة إخراج من هذه المسارات (الشكل 3 (د)).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تقنية التصوير السريع يمكن استخدامها لقياس انتشار وتأثير الرش لسيناريوهات مختلفة. الشكل 4 (أ)، على سبيل المثال، يظهر تسلسل الصور النمطية عن أثر السائل eGaIn مع مختلف قوة الجلد أكسيد. بطرد eGaIn من نفس فوهة والوقوع في نفس الارتفاع، مع قطرات استنساخه تأثير سرعة V 0 = 1.02 ± 0.12 متر / ثانية ونصف قطرها R 0 = 6.25 ± 0.10 ملم تم إنشاؤها. يظهر العمود الأيسر أثر هبوط eGaIn-أكسدة الهواء لا prewashed في حامض. يتم تشكيل ذيل طويل في نهاية العلوي من الانخفاض عندما يفصل السائل من فوهة. اختلاف من السوائل العادية، والجلد أكسيد يمنع السائل من الاسترخاء بحرية الطاقة السطح، لذلك يتم الاحتفاظ هذه الهندسة nonspherical دون تغيير خلال مرحلة السقوط. بعد حدوث الأثر، ورقة المعدن السائل رقيقة (الصفيحة) تتوسع بسرعة على طول الركيزة نحو سلس. غسل العينات في حمض يقلل من ثورIDE و يضعف تأثير الجلد. الوسط والأعمدة الحق في الشكل 4 (أ) تظهر الصور من قطرات prewashed في 0. M 01 و 0. 2 M حمض الهيدروكلوريك، على التوالي. عندما يصبح حمض قوي بما فيه الكفاية للقضاء تماما أي تأثير الجلد يمكن ملاحظتها، ويظهر eGaIn لا فرق في نشر السلوك من السوائل العادية (العمود الأيمن).
من أجل تميز التوسع شعاعي بعد الأثر، وعامل الانتشار يمكن تعريفها بأنها P = R 0 م / R م، حيث تنتشر أقصى نصف قطرها هو R م. يتم رسم سلوك التحجيم ف م تحت ظروف الأكسدة المختلفة في الشكل 4 (ب) في الطريقة التقليدية للسوائل النيوتونية، حيث رد هو رقم رينولدز ونحن * هو رقم ويبر الفعالة التي تمثل الإجهاد الناجم عن سطح الجلد الناجم عن . هنا، يتم تعريف عدد رينولدز وعدد يبر فعالة لeGaIn على مقياس من الانخفاض بأكمله. بشكل خاص، إعادة15 = 2V 0 R 0 / ν حيث ν هو اللزوجة الحركية ونحن * = 2ρV 0 0 2 R / σ ρ مع ممثل المؤسسة كما كثافة السائل وσ ممثل المؤسسة باسم التوتر السطحي فعالة. البيانات تنهار بشكل جيد على توسيع نطاق الكلاسيكية 6 . هذا يشير إلى أن انتشار eGaIn تتأكسد يتفق مع الحجة توازن الطاقة المستخدمة لشرح لنشر السوائل النيوتونية، طالما يتم احتساب الطاقة المرنة المخزنة في الجلد ل. عموما، يتم احترام أي تناثر eGaIn منذ التوتر السطحي (> 400 مليون / م) هو أكبر بكثير مما كانت عليه في السوائل العادية.
للتعليق كثيفة، ركزت التجارب على بداية البداية. تم استخدام السائل nonviscous مثل المذيبات بحيث كانت الجسيمات رقم رينولدز رد ع دائما أكبر من 400. في هذا النظام، تبديد لزج لا يكاد يذكر بالمقارنة مع الآثار بالقصور الذاتي. الشكل 5 ص ص ص وكعبرة. منذ ديناميات جسيم واحد يهيمن على الأثر، يتم تعريف كل من رقم رينولدز ويبر عدد الجسيمات على مقياس واحد. وهي رد ع = V 0 R ع / ν ونحن ع = ρ ص V 0 2 R ع / σ، حيث R ص هو نصف قطر الجسيمات. هنا، وتغيير سرعة تأثير الجسيمات ويبر يختلف عدد ونحن ع. لكل نقطة في المؤامرة، وتكررت التجربة لمدة 10 مرة. الدوائر الحمراء جوفاء هي الحالات التي يتم العثور البداية دائما، والنقاط الزرقاء الصلبة تتوافق مع الوضع عندما يتم العثور على أية البداية. الساحات الخضراء المفتوحة، ومع ذلك، تشير السيناريوهات عندما لاحظ كل من البداية وليس البداية في 10 تكرارات. في جميع الحالات، والانتقال الى تناثر يحدث في نفس قيمة نحن ع ≈ 14. وهذا يتفق مع القول بأنالقائم على الجسيمات ويبر الرقم هو المعلمة ذات الصلة لبداية البداية 16. تظهر الصور إدراجات ممثل دفقة دفقة وأي حالات. من خلال مقارنة النتائج للانتقال رذاذ من السوائل النيوتونية، تبرز فرقا مميزة. تقليديا، يتم تعيين الرش بداية للسوائل نيوتن من حيث الكمية وأبعاد K = نحن 1/2 رد 1/4، حيث ويبر العدد، ونحن، وعدد رينولدز، رد، يتم تعريف للهبوط كامل 7. ومع ذلك، من خلال إضافة جزيئات في السائل، هو عرض نطاق طول اضافية، وحجم الجسيمات، في النظام. ونتيجة لذلك، في الحالة التي يكون فيها معلقات كثيفة مثل نقطة التشويش، وديناميات الجسيمات الفردية يحدد بداية الرش.
واحدة من السمات المميزة لتعليق الكثيفة هو بنية تشبه الدانتيل شكلت في أعقاب الأثر (الشكل 6 (أ)). من أجل تميز هذا النوع الجديد من عدم الاستقرار، ومنطقةمن الثقوب فتح وكميا من خلال تحليل التصوير. أولا، توزيع السرعة في طبقة الانتشار يمكن الحصول عليها باستخدام الجسيمات صورة Velocimetry (التعريف الشخصي). ثم، حلقات الأصفر في الشكل (6) (أ) يتم تعريف الجسيمات ويبر مع عدد ونحن ع = 10، 75، و 920، وكلها توسيع شعاعيا مع مرور الوقت. عن طريق التصوير والتحليل، ويتم الحصول على مجال الثقوب والمساحة الكلية بين كل حلقة على النحو S حفرة وS 0، على التوالي. يتم رسم نسبة S حفرة لS 0 مع الزمن في الشكل 6 (ب). من المؤامرة، فمن الواضح أن عدم الاستقرار فتح ثقب يحدث في الغالب في النظام الخارجي للنشر.
الشكل 1. التوضيح التخطيطي من الإعداد والتصوير. اليمكن للكاميرا سريعة تستخدم لتحقيق هذا العمل 6،242 إطارا في الثانية (fps) في 1،280 × 800 بكسل شاشة عريضة؛ الحد الأقصى لمعدل الإطار هو 10 إطارا في الثانية 6 في خفض القرار (128 × 8). أثناء التجربة، كانت قطرات مقذوف ببطء من فوهة باستخدام مضخة الحقنة. يتم توفير الإضاءة للنظام من قبل اثنين من مصادر الضوء الأبيض. وتستخدم الأضواء الأمامية والخلفية لالمعدن السائل وتأثير التعليق كثيفة، على التوالي.
الشكل 2. (أ) الصور النمطية التي اتخذتها الكاميرا لeGaIn السائل (العمود الأيسر) وتعليق كثيفة من الجزيئات في السائل (العمود الأيمن). يمكن إجراء مراقبة من كلا أسفل والجانب. لتسليط الضوء على الملف الشخصي للكائن، يضيء انخفاض في اتجاه perpendicular إلى الطائرة الصورة. على وجه التحديد، لeGaIn السائل، وانخفاض هي الخلفية لزيادة التباين في الحدود السائل / بضغط الهواء. للتعليق الكثيفة، مضاءة العينة من الجبهة، مثل أن الجسيمات واحد في انخفاض يمكن تمييزها. (ب) مثال على القرار المعايرة المكانية في 10،000 إطارا في الثانية. هنا، وهناك 192 بكسل عبر مسافة 1 سم. وبالتالي، فإن القرار المكانية لهذا الرقم هو 1 بكسل cm/192 ≈ 52 ميكرون / بكسل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 3. تحليل الصورة. لقطرات المعدن السائل، ونحن أول عتبة الصور لكل إطار (انظر (أ)). ال متوسط قيمة بكسل على طول الحلبة في شعاعي ص موقف (انظر دائرة الصلبة في (أ)) إلى موقع الحدود الانتشار. تقليديا، يتوافق مع الأبيض والأسود إلى الصفر إلى واحد. ونتيجة لذلك، فإن مؤامرة من متوسط قيمة بكسل (ب) يبين التحول الحاد. موقف المقابلة ل0.5 يعطي الموقع من الحدود، حيث عدم اليقين قادم من العرض. الجبهة تتحرك هي المعلمة الرئيسية لدراسة الانتشار. على النقيض من ذلك، على أثر تعليق الكثيفة، وليس فقط ولكن أيضا نشر بداية الرش يبعث على القلق. لوحة (ج) يبين نتيجة من تتبع الجسيمات الجسيمات الرش، حيث ذيول الصفراء التي تعلق على جزيئات تشير مساراتها. المؤامرة في (د) يعطي أثر للجسيمات حلقت في (ج). منذ الخطوة الساعة 1/10، 000 ثانية، وسرعة الهروب هو ثابت في حوالي 1.5 متر / ثانية، والتي تتطابق تماما لسرعة التأثير.و = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51429/51429fig3highres.jpg" الهدف = "_blank"> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4. نشر ديناميات السائل eGaIn. (أ) نموذجي تسلسل الصور من eGaIn قطرات تؤثر على ركيزة زجاجية (التي استولت عليها كاميرا اللون الحساسة بسرعة، وفي هذه الحالة، يتم تقليل القرار المكانية إلى 59 ميكرون / بكسل في 7،600 إطارا في الثانية). وprewashed قطرات في البداية في حل حمض الهيدروكلوريك كما هو مشار إليه في النص. لجميع تسلسلات الصور هو مبين أعلاه، تم الإبقاء على سرعة تأثير في V 0 = 1.02 ± 0.12 وكان م / ثانية وقطر الانخفاض الأولي R 0 = 6.25 ± 0.10 ملم. (ب) شعرية للانتقال اللزج السلوك تأثير eGaIn قطرات prewashed ثإيث تركيزات حمض مختلفة. ك المعلمة أبعاد = نحن * / إعادة 5/4 يستخدم لتنهار كافة البيانات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5. سبلاش بداية يبر عدد ونحن ص بوصفها وظيفة من الجسيمات نصف قطرها ص ص والكثافة ρ ص الدوائر الحمراء جوفاء هي الحالات التي يتم العثور البداية دائما، والنقاط الزرقاء الصلبة تتوافق مع الوضع عندما يتم العثور على أي لطخة في 10 يكرر المتعاقبة. الساحات الخضراء المفتوحة وتشير السيناريوهات عندما لاحظ كل من البداية وليس البداية في 10 تكرارات. المؤامرات أقحم هي صور نموذجية من الرش وnonsplashiنانوغرام الحالات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 6. عدم الاستقرار في تعليق نشر ديناميات. لوحة (أ) يظهر صورة نموذجية خلال التأثير. خلال نشر، والثقوب مفتوحة بين مجموعات الجسيمات نظرا لسرعة التدرج في أحادي الطبقة. الحلقات الصفراء الثلاث في الصورة تدل على مواقف شعاعي الموافق الجسيمات مختلفة الأرقام ويبر (ع = 10 ونحن، 75، 920). (ب) نسبة من مساحة الثقوب (S حفرة) إلى المساحة الكلية (S 0) بين كل حلقة. S حفرة / S 0 هو تآمر ضد الزمن، ر.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
عدة خطوات حاسمة لتنفيذ السليم للتصوير بسرعة. الأولى، وكاميرا وعدسة يجب أن يتم تعيين بشكل مناسب حتى ومعايرة. على وجه الخصوص، من أجل الحصول على قرار مكانية عالية، يجب أن تبقى نسبة التكاثر للعدسة مقربة من 1:1. هذا هو المهم وخاصة بالنسبة للتصور تعليق الكثيفة. أيضا، يحتاج حجم الفتحة التي سيتم اختيارها بعناية للتصوير. على سبيل المثال، والمراقبة من الجانب بصفة عامة يتطلب عمق أطول من الحقل، وبالتالي أصغر حجم الفتحة. للحفاظ على سطوع الفيديو، ويحتاج المرء لزيادة وقت التعرض وبالتالي خفض معدل الإطار (~ 6،000 إطارا في الثانية). على النقيض من ذلك، وعرض القاع يتطلب سوى الكاميرا للتركيز على طائرة واحدة واحدة. ونتيجة لذلك، القرار الوقت أعلى يمكن الحصول على (~ 10،000 إطارا في الثانية).
ثانيا، إعداد الإضاءة المناسبة هي عامل رئيسي من أجل الحصول على الحدود حادة من قطرات. منذ أضاءت كل من العينات إما من الخلف أو آلة القطعر، في حاجة إلى مصادر الضوء لتكون محاذاة عموديا إلى الطائرة الصورة. إذا إمالة زاوية الإضاءة، والظل في الصورة وانعكاس السطح من العينة (مثلا من أسطح لامعة مثل المعادن السائلة) يمكن أن تجعل الكشف عن حدود دقيقة المستحيل.
الثالثة، الكاميرا اثار المهم عند تسجيل الفيديو. المستخدمين لديهم لتقدير عدد الإطارات يجب أن تسجل قبل التفجير. قد تختلف الإعداد محددة مع الأفراد، وهذا يتوقف على رد فعل مرات مختلفة. وبالتالي، عدة اختبارات تجريبية لممارسة ضرورية قبل القياسات الفعلية.
القيد واحد ينطوي على القرار المكانية مفاضلة. بالنسبة لمعظم الصور التي التقطت في التجارب، كان القرار حوالي 50 ميكرون، مما يشير إلى أنه من الصعب إلى حد ما تصور بوضوح جسيمات أصغر من 50 ميكرومتر (على الرغم من خوارزميات تتبع الجسيمات المتقدمة قد تساعد في هذا الصدد، وهذا يتوقف على ديتا تجريبية محددةILS 10-12). قيود محتملة أخرى هي انخفاض حاد في وقت القرار عندما يكون الحقل المطلوب من الرأي تصبح كبيرة. للتنبيه تمتد إلى عدة سنتيمترات، ويمكن أن ينخفض إلى أقل معدل الإطار 5،000 إطارا في الثانية، والتي قد لا تكون سريعة بما يكفي لالتقاط ديناميات بسرعة.
باختصار، وصف نظام التصوير السريع (كاميرا سريعة + عدسة الماكرو) هنا هو أداة واعدة لدراسة العمليات الديناميكية سريع. كان التركيز هنا على تأثير السوائل غير النيوتونية، ولكن التحقيقات في العديد من المواضيع البحثية الأخرى، مثل انخفاض السائل تفكك 19،20، 21 طائرات الحبيبية، وقطرة السائل التحام 22، والاستفادة من تقنية مشابهة. مثل هذا النهج التجريبي يجعل من الممكن لصورة الظواهر الميكروسكيل، وفي الوقت نفسه الحصول نظرة ثاقبة ديناميات المرفقة على نطاق ميكروثانية، وهو النظام الذي يمثل تحديا لأساليب التصوير التقليدية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
والكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
بفضل يندي تشانغ، اللاعب Luuk لوبرز، مارك دريسكول مسكين وميشيل لكثير من المناقشات المفيدة وQiti قوه للمساعدة في إعداد العينات التجريبية. وأيد هذا العمل من قبل برنامج المؤسسة الوطنية للعلوم في MRSEC تحت المنحة رقم DMR-0820054.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gallium-Indium Eutectic | Sigma Aldrich | 495425-25G | |
| Hydrochloric Acid | Sigma Aldrich | 320331-2.5L | |
| Zirconium oxide | Glen Mills Inc. | 7200 | |
| Phantom V12 and V7 Fast Ccamera | Vision Research | N/A | |
| 105 mm Micro-Nikon | Nikon | N/A | |
| 12 V / 200 W light Source | Dedolight | N/A | |
| Syringe Pump | Razel | MODEL R9-9E |
References
- Chiechi, R. C., Weiss, E. A., Dickey, M. D., Whitsides, G. M. Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of Self-Assembled Monolayers. Angew. Chem. Int. Ed. 47, 142 (2008).
- Fukumoto, M., Huang, Y. Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface. J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).
- Seerden, K. A., Reis, N., Evans, J. R., Grant, P. S., Halloran, J. W., Derby, B. Ink-Jet Printing of Wax-Based Alumina Suspensions. J. Am. Ceram. Soc. 84, 2514 (2004).
- Derby, B. Inkjet printing ceramics: From drops to solid. J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).
- Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop Splashing on a Dry Smooth Surface. Phys. Rev. Lett. 94, (2005).
- Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. Maximal deformation of an impacting drop. J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).
- Yarin, A. L. Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).
- Chandra, S., Avedisian, C. T. On the collision of a droplet with a solid surface. Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).
- Versluis, M.
- Thoraval, M. -J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. Drop impact entrapment of bubble rings. J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).
- Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G.
- Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubble. Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).
- Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. Thin film formation during splashing of viscous liquids. Phys. Rev. E. 82, (2010).
- Pregent, S., Adams, S., Butler, M. F., Waigh, T. A. The impact and deformation of a viscoelastic drop at the air-liquid interface. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 166, 831 (2011).
- Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. Impact dynamics of oxidized liquid metal drops. Phys. Rev. E. 87, (2013).
- Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. Splashing onset in dense suspension droplets. Phys. Rev. Lett. 111, (2013).
- Luu, L., Forterre, Y.
- Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H., Brown, E. Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium. Phys. Fluids. 24, (2012).
- Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact. Phys. Rev. Lett. 103, (2009).
- Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).
- Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Phys. Rev. E. 78, (2008).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Phys. Rev. Lett. 106, (2011).
