Moleküler hidrodinamik süreçlerinde yoğun gaz ve sıvı için Analog bir makroskopik yüntem

Moleküler hidrodinamik dinamikleri ve bireysel moleküllerin istatistiksel mekanik ve koleksiyonları içinde sıvı moleküllerinin çalışmaları. Moleküler hidrodinamik sistemleri^1,2, ışık saçılma^1,2,3, moleküler dinamik simülasyon^{4eğitimi için geliştirilen birçok deneysel teknik arasında 5,6,7} ve daha az bir ölçüde, esnek olmayan nötron saçılma⁸ en yaygın olarak kullanılmıştır. Ne yazık ki, önemli kısıtlamalar için ikinci iki teknik iliştirin. Moleküler dinamiği (MD) simülasyonları, örneğin: i) olan sınırlı küçük kayma ve temporal görece az sayıda molekülleri içeren etki alanları , II) kullanılmasını gerektiren yaklaşık arası parçacık potansiyelleri III) genellikle periyodik tanıtmak sınır koşulları, denge toplu akış koşulları ve IV altında geçersiz) şu anda, nasıl moleküler ölçekli dinamikleri, tek molekülleri ya da moleküllerin koleksiyonları içeren temel soruya cevap veremez etkilenen ve çift toplu olarak, denge sıvı akış geri döndü. Nötron saçılma ile ilişkili ana sınırlama nötron ışın kaynaklarının mevcut sınırlı sayıda erişim zorluğu bağlıdır.

Bu makalede sunulan analog deneysel tekniği için bağlam sağlamak için basit yoğun gaz ve sıvı-devlet sıvılar için uygulanan ışık saçılım teknikleri vurgulayın. Bir tipik ışık saçılması deneyi polarize lazer ışık ışını sabit sıvı örnek içeren bir küçük sorgulama birime yönlendirilir. Örnek içinde molekülleri saçılan ışık sonra olay ışın göre sabit bir açıyla algılanır. Bağlı olarak moleküler dinamik rejimi ilgi, algılama ve dağınık ışık sinyali analizini içerir ışık filtreleme veya ışık algılama yöntemleri karıştırma. Berne ve Pecora¹tarafından belirtildiği gibi filtreleme teknikleri, hangi zamanında sıvı devlet moleküler dinamiği yoklama daha kısa ölçekler s, sonrası saçılmasını Girişmölçeri veya kırınım ızgara tanıtmak ve spektral yoğunluğu tarama izin dağınık ışık. Optik yavaş zaman ölçekli dynamics için kullanılan teknikler, karıştırma s, buna karşılık, dağınık sinyal spektral içeriğini ölçülen dağınık ışıktan çıkarılan bir sonrası saçılmasını autocorrelator veya spektrum analizörü, dahil yoğunluk.

Genel olarak, lazer probları, en az bu spektrum görünür aralığında işletim devlet dışı sıvı molekülleri arasındaki karakteristik aralığı daha uzun dalga boyları var. Bu şartlar altında sonda ışın heyecanlandıran beş toplu, yavaş zaman ölçeği, uzun dalga boyu hidrodinamik modları^2,9,10 (karakteristik çarpışma Frekansa göre yavaş): iki viscously sönümlü, ses dalgaları, iki edilişi, tamamen diffusive vorticity modu ve bir tek diffusive termal (entropi) modu karşı yayılıyor. Kıvırma modları enine yönde heyecanlı iken ses modları olay ışın (boyuna) yönünde heyecanlı mısın.

Teknikleri, kalp denge ve denge moleküler, istatistiksel mekaniği yalan iki temel soru saçılma tamamen deneysel dikkate alınarak sıvı-devlet sistemleri, ışık ve nötron saçılma ölçüleri dışında kalır:
1) klasik Newtonian dynamics veya kuantum dinamiği, tabi bireysel sıvı-devlet moleküller rasgele, çarpışma – ve alt-collision-zaman-ölçek dinamiği içinde değişiklik titiz bağımsız değişkenleri^9,11 gösteri genelleştirilmiş Langevin denklemler (k) şeklinde. K’ın, sırayla, bir merkezi teorik araç denge istatistiksel mekanik yoğun gaz ve sıvı olarak insan oluşturmaktadır. Ne yazık ki, bireysel (makromoleküllerin olmayan) molekülleri dinamikleri de saçılma tekniği ile çözümlenemeyen beri şu anda k’ın geçerliliğini sınamak için doğrudan yolu yoktur, MD simülasyonları, ötesinde.
2) makroskopik sürekliliği akışkan dinamiği kalbinde yatan temel bir hipotez de microscale moleküler hidrodinamik, manzara arz ediyor bu üzerinde uzunluğu – ve zaman-ölçekler büyük molekül çapları ve çarpışma kez, ama küçük süreklilik göre göreli uzunluk ve zaman ölçekler, yerel termodinamik denge (LTE) hakim. Sürekli akış ve ısı transferi modelleri, Navier-Stokes (NS) denklemler gibi LTE gerekli⁹ özünde denge, süreklilik ölçekli akışı ve enerji taşıma özellikleri çift için varsayılır — hangi tarihlerde viskoz kesme vurguluyor ve Termal iletken — kesinlikle denge termodinamik özellikleri, sıcaklık ve iç enerji gibi. Aynı şekilde, bu microscale momentum ve enerji taşıma özünde denge süreçler, birleştiğinde, microscale kitle, görünümünü yansıtan iken bu microscale süreçlerin momentum ve enerji akımları, modelleri varsayalım akımları LTE⁹küçük tedirginlikler temsil eder. Yine, bizim bilgi en iyi şekilde, LTE varsayım doğrudan hiçbir deneysel test edilmiştir. Özellikle, görünen o ki hiçbir moleküler hidrodinamik saçılma deneyler yoğun, hareketli, denge sıvı akışı içinde çalıştı.

Bu yazıda, biz hangi makroskopik, tek parçacık ve toplu parçacık dinamiği sıkıştırılmış tahıl kazık, standart parçacık görüntüleme velosimetri (PIV), kullanarak ölçülen dolaylı olarak tahmin etmek için kullanılabilir bir analog deneysel teknik anahat, yorumlamak ve tek ve çoklu molecule hidrodinamik yoğun gaz ve sıvı bulaşmasına neden. Önerilen tekniği etkinleştirmek fiziksel ve teorik öğeleri bizim grup¹²tarafından yayınlanan son kağıt belirtilmiştir. Deneysel, makroskopik sistem sergilemek gerekir: (zayıf) sigara denge dalgalanmaları taklit yerel, macroscale istatistiksel mekanik denge ve (ii) küçük, doğrusal hareketle denge doğru sürekli (i) bir eğilim içinde gözlenen Moleküler hidrodinamik sistemleri. Teorik olarak: (i) klasik microscale modelleri, denge ve zayıf-sigara-denge istatistiksel mekaniği yoğun açıklayan etkileşen N-parçacık sistemleri macroscale formunda değişiklik gerekir ve güvenilir bir şekilde elde edilen (II macroscale modelleri gerekir Tek ve birden çok parçacık dinamiği, kısa, parçacık-çarpışma-zaman-ölçekler uzun, Sürenim-akış-zaman-ölçekler için tahmin.

Burada, detaylı bir deneysel protokol yanı sıra yeni tekniği ile elde edilen temsilcisi sonuçlar mevcut. MD simülasyonları ve ışık ve nötron saçılma yöntemleri aksine yeni tekniği, ilk kez, akan, güçlü denge, yoğun gaz ve sıvı içinde moleküler hidrodinamik işlemlerin ayrıntılı bir çalışma sağlar.