Eine analoge makroskopischen Technik für das Studium molekulare hydrodynamische Prozesse in dichten Gasen und Flüssigkeiten

Molekulare Hydrodynamik untersucht die Dynamik und statistische Mechanik von einzelnen Molekülen und Sammlungen von Molekülen in Flüssigkeiten. Unter den vielen experimentellen Techniken, entwickelt für das Studium der molekularen hydrodynamischen Systemen^1,2, Lichtstreuung^1,2,3, molekulare dynamische Simulationen^{4, 5,6,7} und in geringerem Maße, inelastischer Neutronenstreuung Streuung⁸ am häufigsten verwendet wurden. Leider legen erhebliche Einschränkungen auf die letzteren beiden Techniken. Molekulardynamik (MD)-Simulationen, zum Beispiel: (i) sind limitiert auf kleinen räumlichen und zeitlichen Domänen enthalten relativ wenige Moleküle , Ii) erfordern Einsatz ungefähre Inter Partikel Potentiale, (Iii) in der Regel einführen periodische Randbedingungen, ungültige unter nicht-Gleichgewichts-Bulk Strömungsverhältnisse und iv), zur Zeit die Frage nicht beantworten grundlegende wie molekularer Ebene Dynamik, an denen entweder einzelne Moleküle oder Sammlungen von Molekülen, sind davon betroffen und koppeln zurück zu bulk, nicht-Gleichgewichts-Strömung. Die Haupteinschränkung Neutronenstreuung zugeordnet ist, die Schwierigkeit der Zugriff auf die begrenzte Anzahl von Neutronen Strahlquellen zur Verfügung gebunden.

Um Kontext für die analoge experimentelle Technik, die in diesem Artikel vorgestellten bereitzustellen, markieren wir Lichtstreuung Techniken einfach dichten Gas und Flüssigkeit-Staat Flüssigkeiten. In einem typischen Lichtstreuung Experiment richtet ein polarisierten Laserstrahl an ein kleines Verhör-Band mit einer stationären Fluid-Probe. Von Molekülen in der Probe gestreuten Lichts wird dann in einigen festen Winkel im Verhältnis zu den einfallenden Strahl erkannt. Abhängig von der molekularen dynamischen Regime von Interesse beinhaltet Detektion und Analyse von verstreuten Lichtsignal leichte Filterung oder Licht Detektionsmethoden mischen. Wie beschrieben durch Bern und Pecora¹Filtertechniken, die flüssigen Zustand Molekulardynamik pünktlich Sonde skaliert kürzer als s, führen Sie einen Post-Streuung Interferometer oder Beugungsgitter und scannen die spektrale Dichte des gestreuten Lichts. Optische Mischtechniken, verwendet für langsame Zeitskala Dynamik, s, enthalten im Gegensatz dazu, eine Post-Streuung Autocorrelator oder Spectrum Analyzer, in dem der spektrale Inhalt des gestreuten Signals wird das gemessene Streulicht entzogen Intensität.

In der Regel Laser-Sonden, mindestens Auftraggebern im sichtbaren Bereich des Spektrums haben Wellenlängen wesentlich länger als die charakteristischen Abstand zwischen flüssiger Zustand Moleküle. Unter diesen Umständen der Sonde Strahl reizt fünf Kollektiv, langsam Zeitskala, lange Wellenlänge hydrodynamischen Modi^2,9,10 (langsam im Vergleich zu den charakteristischen Kollision Frequenz): zwei Blutschleim gedämpft, gegen Vermehrung Schallwellen, zwei abgekoppelt, rein diffusive Vorticity-Modi und einen einzigen diffusiven Thermal (Entropie)-Modus. Sound-Modi sind in (Längsrichtung) des einfallenden Strahls, begeistert, während die bejubelten Modi in Querrichtung angeregt werden.

Da rein experimentellen Techniken, zwei grundlegende Fragen, liegen im Herzen des Gleichgewichts und nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des molekularen Streuung, bleiben flüssiger Zustand Systeme jenseits von Licht und Neutronen-Streuung Messungen:
(1) strenge Argumente^9,11 -Show, die die zufällige, Kollision – und sub-collision-Zeitskala Dynamik einzelner Moleküle der Flüssigkeit-Zustand, klassischen Newtonschen Dynamik oder Quantendynamik, in neu gefasst werden können die Form von generalisierten Langevin Gleichungen (GLE). GLE, umfassen wiederum ein zentrales theoretisches Werkzeug in der Studie der nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik von Molekülen in dichten Gasen und Flüssigkeiten. Leider, da die Dynamik der einzelnen (nicht-makromolekulare) Moleküle von entweder Streuung Technik gelöst werden können, gibt es derzeit keine direkte Möglichkeit, über MD-Simulationen, die Gültigkeit der GLE testen.
(2) eine grundlegende Hypothese liegen im Herzen der makroskopischen Kontinuum Fluiddynamik, postuliert sowie Microscale molekulare Hydrodynamik, die auf – und Zeit-Längenskalen groß im Verhältnis zu molekularen Durchmessern und Kollision, aber klein im Vergleich zu Kontinuum Länge und Zeitskalen, herrscht lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTE). Im Kontinuum Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge Transfermodelle, wie die Gleichungen von Navier-Stokes (NS), ist die LTE-Annahme erforderlich⁹ um per se nicht-Gleichgewichts, Kontinuum-Skala Flow und Energie Transportfeatures paar — wie viskosen Scherspannungen und Wärmeleitung – streng Gleichgewicht thermodynamischen Eigenschaften wie Temperatur und innere Energie. Ebenso während Microscale Impuls und Energie Transport sind per se nicht-Gleichgewichts-Prozesse, spiegelt das Erscheinungsbild der gekoppelten, Microscale Masse, Impuls und Energieströme, Modelle dieser Microscale Prozesse davon ausgehen, dass die Ströme darstellen Sie kleine Störungen von LTE⁹. Wieder, nach bestem Wissen und gewissen gab es keine direkten experimentellen Tests der LTE Himmelfahrt. Insbesondere scheint es, dass keine molekulare hydrodynamischen Streuexperimente in dichten, bewegliche, nicht-Gleichgewichts Fluidströme versucht wurden.

In diesem Artikel beschreiben wir eine analoge experimentelle Technik in der makroskopischen, einzelne Partikel und kollektive Partikel Dynamik der geschüttelten Korn Pfähle, gemessen mit standard Particle Imaging Velocimetry (PIV), indirekt Vorhersagen verwendet werden kann, interpretieren Sie, und setzen Sie Single und molecule Hydrodynamik in dichten Gasen und Flüssigkeiten. Die physikalischen und theoretischen Elemente, mit denen die vorgeschlagene Technik sind in einer aktuellen Publikation unserer Gruppe¹²angegeben. Experimentell, das makroskopische System aufweisen muss: (i) eine anhaltende Tendenz zur lokalen, makroskopischen statistische mechanische Gleichgewicht und (Ii) kleine, lineare Abweichungen von Gleichgewicht, die (schwache) nicht-Gleichgewichts-Schwankungen zu imitieren beobachtet molekularen hydrodynamischen Systemen. Theoretisch: (i) die klassische Microscale Modelle zur Beschreibung das Gleichgewicht und die schwach-nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des dichten, interagierenden N-Partikel-Systeme müssen werden Neufassung in makroskopischen Form, und (Ii) die daraus resultierenden makroskopischen Modelle müssen zuverlässig Einzel- und mehrfach-Partikel Dynamik von kurz, Partikel-Kollision-Fristen zu lang, Kontinuum-Fluss-Zeitskalen vorherzusagen.

Hier präsentieren wir Ihnen ein detailliertes Protokoll der experimentellen als auch repräsentative Ergebnisse, die durch die neue Technik. Im Gegensatz zu MD-Simulationen und Licht und Neutron Streumethoden ermöglicht die neue Technik zum ersten Mal detaillierte Untersuchung der molekularen hydrodynamische Prozesse in fließenden, stark nicht-Gleichgewichts, dichten Gasen und Flüssigkeiten.