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

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 hidrodinâmica^1,2, espalhamento de luz^1,2,3, simulações de dinâmica molecular^{4, 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 domínios contendo moléculas relativamente poucos , 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 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, 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 onda^2,9,10 (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 argumentos^9,11 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.