Drop cluster fra Sibirien

Drop cluster fra Sibirien

Mikhail Nosonovsky,
Ph.d., University of Wisconsin-Milwaukee
"Kemi og liv", nr. 7, 2017

Nogle gange kan en hvidlig sky ses tæt på vandets overflade i en kop varm te. Det viser sig, at det kan blive en fantastisk formation – en klynge af mikroskopiske dråber, der danner en bestilt struktur, der ligner et krystalgitter. Denne dannelse er beslægtet med støvkrystaller, som astronauterne studerer ombord på orbitalstationen (se Chemistry and Life, nr. 4, 2006). Det kan tjene som en illustration af det vigtigste princip for termodynamik i nonquilibrium processer: strømmen af ​​energi, der passerer gennem systemet, forårsager ikke blot ødelæggelse i det på grund af væksten af ​​entropi, men kan også danne en ordre, der eksisterer i lang tid. Det er muligt, at forskerne vil have skabt mikroreaktorsystemer til kemiske transformationer, og at udføre cybernetiske manipulationer med stoffet, efter at have lært at kontrollere adfærd fra en drop-klynge.

Mist over en kop te

Det hele startede, da Alexander Feodorets, nu en kandidatstuderende ved Tyumen State University (nu læge i fysiske og matematiske videnskaber og professor ved samme universitet), allerede var i 2003,undersøger det opvarmede lag af vand under et mikroskop, fundet dråber hængende ved lav højde (breve til JETP, 2004, 79, 372-374). I selve eksistensen af ​​sådanne dråber over te eller kaffe er det ikke usædvanligt, at de kondenseres fra mættet damp. Fedorets opmærksom på en usædvanlig detalje: Dråber af samme størrelse hængt i samme lille højde over vandets overflade og danner således en struktur med sekskantisk symmetri som en honningkage.

For at skabe en klynge er det nødvendigt at hælde et lag vand på et glasunderlag med en lysabsorberende belægning og oplyse den med en laserstråle. Infrarød stråling stabiliserer klyngen

Yderligere undersøgelser har vist, at droppeklyngen (som de kaldte dette fænomen) er reproducerbar og ret stabil. Antallet af dråber i det kan variere fra et par stykker til hundreder. Han kan eksistere i mange minutter, mens det er muligt at spore positionen for hver enkelt dråbe. Det viste sig, at klyngen er dannet ved en bestemt temperaturgradient. For eksempel opvarmes et tyndt lag vand (ca. en millimeter tykt) af en laser på et punkt op til 40-90 ° C.Opvarmning forårsager fordampning, med den største intensitet af stigende damp- og luftstråle i midten af ​​det opvarmede sted. Det er denne stråle, der holder dråberne kondenserende i den i en højde, hvor dråbernes tyngdekraft er afbalanceret af gasstrålingens tryk.

Den typiske diameter af dråber i en klynge er 20-100 mikron, afstanden mellem dem er 50-250 mikron, højden af ​​levitation er 10-100 mikron over et lag af vand. Dråberne kondenserer og former sig i en klynge. Ved at ændre varmetemperaturen og temperaturgraden kan man styre væksten af ​​dråber, manipulere individuelle dråber, få klyngen til at rotere, observere tandems af dråber og små grupper med et hvilket som helst antal af dem, fra et til flere dusin. Klynger observeres også over nogle andre væsker, herunder benzen og glycerin.

Klyngeundersøgelse

Leviterende dråber over en fast eller flydende overflade er generelt kendt for forskere i lang tid. Men sædvanligvis er det enten dråber over en fast overflade opvarmet godt over vandets kogepunkt (den såkaldte Leidenfrost-effekt) eller vibroevitation i forbindelse med skibsoscillationer. Når der opstår forstyrrelser af lydvibrationer i luften dannes en stående bølge i luften over beholderen – det er små partikler falder.En dråbe klynge opstår uden nogen ekstern indsats og ved moderate lufttemperaturer over væskelaget.

Yderligere undersøgelser fra Fedorets og andre forskere afklarede mange af de detaljer, der var forbundet med drypsklyngen, og gjorde det muligt at forstå bedre under hvilke betingelser det opstår. Forskere har lært at håndtere pakningstæthed og dråbestørrelse. Det viste sig, at densiteten bestemmes af en kombination af temperatur og området for lokal opvarmning af væsken under klyngen. Med et relativt stort opvarmningsområde – dråberne er mindre, der er mange af dem, og emballagen er tæt. Når varmeområdet er lille, er dråberne små, og der er lange afstande mellem dem.

Hvis du modulerer varmekraften med lav frekvens, begynder klyngen at "trække vejret" som reaktion på ændringer i det termiske felt. På tidspunktet for temperaturvækst bevæger dråberne sig fra hinanden og tager af, det vil sige at højden af ​​levitation øges; Når temperaturen falder, tæller pakningsdensiteten tværtimod, og levitans højde falder. Selvfølgelig virker det termiske felt indirekte. Det bestemmer parametrene for damp-luftstrålen, der strømmer rundt om klyngen. Aerodynamiske effekter er nøglen her.

I 90 sekunder øges antallet af dråber i en klynge fra et par stykker til hundrede og halvtreds, og deres arrangement i rummet er bestilt.

Hvis varmekilden er under et fartøj med en væske, vokser dens dråber kontinuerligt på grund af dampkondensation, og dråbeområdet varierer lineært med tiden, det vil sige, dråberadiusen stiger i forhold til tidens rod. En sådan kinetik er karakteristisk for kondensation i en mættet damp. Jo kraftigere varmekilden og højere temperaturen på vandoverfladen er, desto højere er kondensvæksten og jo større er den maksimale opnåelige dråldiameter: da højden stiger, falder levitationshøjden, dråberne nærmer væskens overflade, berører den og i tusindedele sekunder smelter dråberne sammen med det øverste lag genererer kapillarbølger.

Sammensætningen af ​​en klynge er en kædereaktion: en dråbe berører et lag vand, der skaber en kapillærbølge på overfladen, og det ødelægger de nærliggende dråber. Processen tager en splittet sekund og ser visuelt ud som en øjeblikkelig forsvinden af ​​en klynge. Imidlertid kan du ved hjælp af højhastighedstvideo (mindst 30.000 billeder pr. Sekund) observere detaljerne i processen.For eksempel kan det ses, at dråbet har nulhastighed, det vil sige det falder ikke, men det fusionerer med andre på grund af overfladespændingsenergien.

Når der dannes en klynge, er det undertiden muligt at observere stabile tandems af to dråber. Mekanismen for dette fænomen er rent aerodynamisk: hvis to dråber ved et uheld er tæt nok, drejer en hvirvelvind dem som to tilstødende perler på en tråd. Så falder en sådan tandem, der allerede er dannet inden for hvirvelen, ind i en klynge, og så længe en konsistent rotation bevares, lever tandemet også. I nogle tilfælde forekommer tandemer, når luftstrømmen smider et lille fald på klyngen ovenfra. En lille dråbe kan ikke integrere i en klynge – den er for lys, og den sidder "astride" på en af ​​de store dråber.

Opadgående damp-luftstrøm i infrarød

Udover billeder og videooptagelser af klyngen i det optiske område blev der opnået termiske billeder: de viser også, at dampvarmen "fakkel" stiger over væskens overflade og temperaturfordelingen i klyngen.

Andre forskere er interesserede i opdagelsen, herunder gruppen ledet af A.V.Shavlova fra jorden Cryosphere Institute of the Siberian Branch (SB) af det russiske videnskabsakademi i Tyumen. De forsøgte at studere muligheden for dannelse af strukturer svarende til en dråbe klynge i atmosfæriske skyer og tåge og undersøgte også den mulige effekt af den elektriske ladning af dråber i en klynge. L. A. Dombrovsky fra Moskva Institut for Højtemperaturer i det Russiske Videnskabsakademi gennemførte beregninger af varmeprocesser og masseoverførsel i en klynge. Forskere fra Novosibirsk-instituttet for termofysik af den sibiriske gren af ​​det russiske videnskabsakademi begyndte at studere interaktionen mellem mikrodråber i en klynge med fugtig luft i kontaktlinjen. En international gruppe fra Rusland, USA og Israel sammen med A. A. Fedorets undersøgte klyngens selvorganisering ved hjælp af den såkaldte Voronoi entropi som en parameter, der karakteriserer sin ordenlighed. Som følge heraf er mekanismen for klyngeformation blevet meget klarere.

Børne aerodynamik

Det er mere eller mindre klart, hvad der bestemmer ligevægten for dråber, der flyder over et lag af vand: Når de bevæger sig opad, svækkes løftekraften fra dampluftstrålen, og som de falder, tværtimod øges det. Så fryser de i en vis ligevægtshøjde.Men hvorfor har klyngen en ordnet form? Indtrykket er, at der mellem dråberne er nogle tiltrækningskraft og afstødning, der opretholder en konstant afstand. Hvad er disse styrkers karakter? Svaret på spørgsmålet blev fundet af et team af forskere fra University of Wisconsin Milwaukee, Tyumen State University, Ariel University (Israel) og Institute of High Temperatures for det russiske videnskabsakademi (A. Fedorets et al. Selvmonterede leviterende klynger af vanddråber: mønsterdannelse og stabilitet //) Videnskabelige rapporter, 2017, 7, 1888; doi: 10.1038 / s41598017-02166-5), som omfatter både A. A. Fedorets og forfatteren af ​​denne artikel.

Den sekskantede struktur er den tætteste emballage muligt. For eksempel, i en lignende struktur, der samler ærter, ruller ned til midten af ​​den konkave skål. Dråbningen af ​​dråber til midten af ​​det opvarmede sted er forståelig: der er den højeste temperatur og høj intensitet af damp-luftstrømmen. Men hvad tillader ikke dråber at fusionere med hinanden? Hvad er de afstødende kræfter mellem dem? Disse kræfter kan være elektrostatiske eller aerodynamiske.

For at den første mekanisme skal virke, skal dråberne have en svag elektrisk ladning. Coulomb-afstødningskraften forhindrer dem i at komme nærmere og forhindre fusion.Eksperimenter viste imidlertid ikke tilstedeværelsen af ​​elektrisk ladning i dråberne. Desuden vidner tandemsens stabilitet mod elektrostatiske kræfter forbundet med ladningsakkumulering på dråberne eller på overfladen af ​​vandlaget.

Den anden mekanisme er aerodynamisk kraft: ifølge Bernoullis lov, hvis to ideelt glatte kugler placeres i en væske eller gasstråle, opstår der en attraktiv kraft mellem dem, hvilket skyldes en stigning i jethastigheden i det indsnævrede rum mellem dråberne. Den aerodynamiske kraft tiltrækker dog ikke altid, men Bernoulli loven gælder kun for store dråber, når grænselaget kan overses. I en klynge er dråberne små, og afstanden imellem dem kan være mindre end tykkelsen af ​​det viskøse grænselag. Når dette lag har en effekt, falder jethastigheden tværtimod. Herfra er resultatet paradoksalt for makroskopisk væskedynamik: to dråber nærmer hinanden en afstand i rækkefølgen af ​​dråbens diameter! Hvis der er mange dråber i en klynge, bliver situationen mere kompliceret, men den aerodynamiske afstødningsmekanisme forbliver den samme som for to dråber.Numerisk simulering af et forenklet problem – en tredimensionel model af syv kugler med en diameter på 60 mikron – viste, at stabile områder med forhøjet tryk dannes mellem dråberne. Faktisk er der adskillige afstødende kræfter af aerodynamisk karakter.

De største dråber ligger over den hotteste zone.

Når du ruller video for frame, er det undertiden muligt at observere sammensmeltningen af ​​individuelle dråber indbyrdes, som er stabilt reproduceret under visse betingelser for klyngegenerering. På et kvalitativt niveau er det klart, at dette sker som følge af aerodynamiske processer, da denne effekt er vanskelig at forklare ved hjælp af Coulomb-styrkerne af elektrostatisk afstødning.

Selve organisationen af ​​en dråbeklynger og graden af ​​ordenlighed i dens struktur karakteriseres bekvemt af en parameter kaldet Voronoi entropi, hvis anvendelse til beskrivelse af klyngen blev foreslået af forskere ledet af Edward Bormashenko fra Ariel University. Denne entropi kan bestemmes visuelt: Opdelingen af ​​klyngebillederne i zoner, der tilhører hvert dråbe, er Voronoi polyhedra (denne metode til opdeling af rummet blev foreslået af G. F. Voronoy, tilsvarende medlem af St. Petersburg-akademiet for videnskab siden 1907).For en ensartet ordnet klynge er Voronoi entropien tæt på nul, og for en uordeneret klynge er den stor. Når klyngen er færdig med nye dråber, observeres korte entropiudbrud, men i almindelighed øges rækkefølgen af ​​antallet af dråber i en klynge. De nyligt ankomne dråber introducerer forstyrrelser i klyngens sekskantede struktur, og jo mere aktivt er den færdiggjort, jo højere Voronoi-entropi.

Voronoi partition for at beregne klynger entropi

Hvorfor det er vigtigt og hvordan man bruger det

Klyngen er genereret af flere faktorer: temperaturgradient, damptrykstrykgradient og mekanisk bevægelse af dråber. Termisk dynamisk termodynamik relaterer temperatur- og koncentrationsgradienter til termodynamiske kræfter. Konjugationen af ​​sådanne styrker er beskrevet af teorien om Lars Onsager, der vandt Nobelprisen for Kemi i 1968 for hende. Processerne for selvorganisering og selvmontering i ikke-ligevægtssystemer blev undersøgt af en anden nobelpristagine, Ilya Prigogine. Et klassisk eksempel på selvorganiserede strukturer er Rayleigh-Benard konvektive celler, der opstår i et fartøj med væske opvarmet nedenunder.Disse celler danner også en sekskantet struktur som en honningkasse (se Chemistry and Life, No. 2, 2017). Således viste dropklyngerne sig at være en ny type selvorganiserende strukturer ud over de klassiske Prigozhin-dem.

Kondensation af aerosolmikrodråber er et vigtigt element i mange processer, fra naturens vandcyklus og klimaformation til mikro / nanofluidika og biogenese (fremkomsten af ​​livet, hvor den katalytiske virkning i mikrodråber kan spille en rolle). Det antages, at detekteringen og forklaringen af ​​dråbeklyngerfænomenet vil bidrage til bedre at forstå de grundlæggende fysisk-kemiske fænomener, herunder mikrodroppernes rolle i katalysationen af ​​naturlige kemiske reaktioner, samt skabe nye metoder til analyse og styring af aerosoler. En vigtig rolle denne viden kan spille i det hurtigt voksende felt af mikrofluidika. Det er normalt meget svært at spore mikrodråber, for at måle deres sammensætning, da de danner ustabile konglomerater, for eksempel skyer. Klynge er en stabil formation, der gør det muligt at studere dråber individuelt. Forståelse af mikrodråbe-klyngemekanismerne er også vigtigt fra et grundlæggende synspunkt: sådan en usædvanlig struktur som en "bestilt tåge"kan ikke være interessant. Kemiske dråber kan udføres i microdrops, som lover meget lovende applikationer.

Den nuværende tendens er miniaturisering af instrumenter og oprettelse af enheder som "laboratorier på en chip" (lab-on-a-chip), forskellige mikro / nanoelektromekaniske systemer (MEMS / NEMS, bioMEMS osv.). Derfor er nye typer mikroreaktorer og mikrosystemer nødvendige til kemisk analyse, herunder dem baseret på dråber. Med deres hjælp kan du opnå fantastiske effekter, såsom at kombinere kemiske reaktioner og logiske operationer (Irving R. Epstein. Kan dråber og bobler tænke? // Videnskab, 2007, 315, 5813, 775-776, doi: 10.1126 / science.1138325). Men her er nye måder at håndtere dråber påkrævet. En stabil dråbe klynge, der kan leve i mange minutter, er perfekt til sådanne manipulationer.

For nylig viste Alexander Fedorets eksperimentelt muligheden for at opnå stabile klynger med en temperatur på mikrodråber lidt over 20 ° C. Det betyder, at klyngen ikke bliver for "hot" til forskning i biokemiske processer. Det var også muligt at udarbejde metoden til at skabe klynger fra et lille antal meget tætte dråber – de kan bruges til at studere stabiliteten af ​​forskellige strukturer, hvis der er for få dråber til at konstruere et sekskantet gitter.Således er den praktiske anvendelse af "ordentlig tåge" ikke langt væk.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: