A Szibériában levő fürtöt

A Szibériában levő fürtöt

Mikhail Nosonovsky,
PhD, Wisconsin-Milwaukee Egyetem
"Kémia és élet", 7, 2017

Néha fehér csillogó felhő látható a víz felszínén egy csésze forró teában. Kiderül, hogy egy csodálatos formációvá alakulhat – egy olyan mikroszkopikus cseppecskék csoportja, amely egy kristályrácshoz hasonló rendezett struktúrát képez. Ez a forma olyan porkristályokhoz hasonlít, amelyeket az űrhajósok az orbitális állomáson tanulmányoznak (lásd Chemistry and Life, No. 4, 2006). A nem-egyensúlyi folyamatok termodinamikájának legfontosabb elvének illusztrációja lehet: a rendszeren áthaladó energiaáramlás nemcsak az entrópia növekedésének köszönhetően rombolást okoz, hanem hosszú időre is képes rendet alkotni. Lehetséges, hogy a cseppklaszter viselkedésének megismerésén keresztül a kutatók képesek mikro-reaktor rendszereket létrehozni a kémiai transzformációkhoz, valamint kibernetikus manipulációt végezni az anyaggal.

Miszt egy csésze teát

Mindez akkor kezdődött, amikor 2003-ban Alexander Feodorets, jelenleg a Tyumen Állami Egyetemen (jelenleg fizikai és matematikai tudományok doktora, egyetemi tanár) végzett posztgraduális hallgatója,a fűtött vízréteg vizsgálata mikroszkóp alatt, kis magasságban lerakódott cseppeket (Letters to JETP, 2004, 79, 372-374). Az ilyen cseppecskéknek a tea vagy a kávé fölött való létezése nem szokatlan, telített gőzzel kondenzálódnak. Azonban a Fedorets figyelmet szentelt a szokatlan részleteknek: ugyanolyan méretű cseppek, amelyek ugyanolyan kis magasságban lógtak a vízfelszín felett, így hexagonális szimmetriával rendelkeznek, mint egy méhsejt.

A fürt létrehozásához szükséges, hogy egy üvegréteg vizet öntse fényelnyelő bevonattal, és lézersugárral világítsa meg. Az infravörös sugárzás stabilizálja a klasztert

További tanulmányok kimutatták, hogy a csepegtető klaszter (ahogy ezt a jelenséget nevezik) reprodukálható és meglehetősen stabil. A cseppek száma néhány példánytól százig terjedhet. Tíz percig képes létezni, miközben lehetőség van az egyes cseppek helyzetének nyomon követésére. Kiderült, hogy a klaszter bizonyos hőmérsékleti gradiensben van kialakítva. Például egy vékony, körülbelül milliméter vastag vizet egy lézerrel 40-90 ° C-on melegítenek.A fűtés a párolgást okozza, a gőz és a levegő felszálló sugara legnagyobb intenzitásával a fűtött hely középpontja. Ez a sugár olyan cseppecskékben tartja a kondenzálódást, amely olyan magasságban van, ahol a cseppecskék súlyát kiegyensúlyozza a gázsugár nyomás.

A fürt tipikus átmérője 20-100 mikron, a köztük levő távolság 50-250 mikron, a levitáció magassága 10-100 mikron a vízréteg fölött. A cseppek összegyűrődnek és egy klaszterbe formálódnak. A fűtési hőmérséklet és a hőmérséklet gradiens megváltoztatásával szabályozhatjuk a cseppecskék növekedési sebességét, manipulálhatjuk az egyes cseppeket, a klaszter forgatásával, a cseppecskék tandemjainak és a kis csoportok számának figyelembevételével bármelyik számon, egytől több tucatig. A klasztereket más folyadékok, köztük benzol és glicerin is figyelik.

Klasztertanulmány

A szilárd vagy folyékony felszín feletti lebegő cseppek hosszú időn át ismertek a tudósok számára. De általában cseppek a víz felforrósodásánál (az úgynevezett Leidenfrost-hatás), vagy a hajó oszcillációjával járó vibroevitációval szemben, amikor a levegő rezgéseinek interferenciája miatt egy állandó hullám alakul ki az edény feletti levegőben – ez apró részecskék leesnek.A csepp cluster külső erőfeszítések nélkül és mérsékelt levegő hőmérsékleten keletkezik a folyadékréteg felett.

A Fedorets és más tudósok által végzett további kutatások tisztázták a csepegtető klaszterrel kapcsolatos részletek sokaságát, és lehetővé tették, hogy jobban megértsék azokat a feltételeket, amelyek mellett felmerül. A kutatók megtudták, hogyan kell kezelni a csomagolási sűrűséget és a cseppméretet. Kiderült, hogy a sűrűséget a hőmérséklet és a helyi fűtési terület területe határozza meg a klaszter alatt. Viszonylag nagy fűtőfelület – a cseppek kisebbek, sokan vannak, és a csomagolás sűrű. Ha a fűtési terület kicsi, akkor a cseppecskék kicsiek és nagy távolságok vannak közöttük.

Ha a fűtési teljesítmény alacsony frekvenciával van modulálva, a klaszter a hőmezőben bekövetkező változásokra "lélegezni" kezd. A hőmérséklet növekedés szakaszában a cseppek elmozdulnak és felszállnak, vagyis a levitáció magassága növekszik; a hőmérséklet csökken, ellenkezőleg, a tömörítési sűrűség nő, és a levitáció magassága csökken. Természetesen a termális terület közvetve jár. Meghatározza a gőz-levegő sugárnak a fürt körül folyó paramétereit. Az aerodinamikai hatások itt kulcsfontosságúak.

90 másodperc alatt a klaszteres cseppek száma néhány százról százötvenre nő, és elrendezésük térben történik.

Ha a hőforrás folyadékot tartalmazó edény alatt van, akkor cseppjei folyamatosan nőnek a párakondenzáció miatt, és a cseppecskék területe lineárisan változik az idővel, vagyis a csepp-sugár az idő gyökerétől arányosan növekszik. Az ilyen kinetika jellemző a kondenzációra egy telített gőzben. Minél erősebb a hőforrás és annál magasabb a víz feletti hőmérséklete, annál nagyobb a kondenzációs növekedés és annál nagyobb a maximálisan elérhető cseppecskeméret: a magasság növekedésével a lebegtetési magasság csökken, a cseppek megközelítik a folyadék felületét, megérintik, és ezredmásodpercben a cseppek a felső réteggel kapilláris hullámokat generál.

A klaszter összeolvadása egy láncreakció: egy csepp egy vízréteget érint, kapilláris hullámot hoz létre a felszínen, és elpusztítja a szomszédos cseppeket. A folyamat egy másodpercet vesz igénybe, és vizuálisan úgy néz ki, mint egy klaszter azonnali eltűnése. Azonban a nagysebességű videók (legalább 30 000 képkocka / másodperc) használatával megfigyelheti a folyamat részleteit.Például láthatjuk, hogy a csepp nulla sebességgel rendelkezik, azaz nem esik le, de összeolvad másokkal a felületi feszültség energiája miatt.

A klaszter kialakításakor néha megfigyelhetők két csepp stabil tandemek. A jelenség mechanizmusa pusztán aerodinamikus: ha két csepp véletlenül elég közel van, egy forgószél megfordítja őket, mint két szomszédos gyöngyöt egy szálon. Ezután egy ilyen tandem, amely már kialakult az örvényben, egy klaszterbe esik, és mindaddig, amíg a konzisztens forgatás megmarad, a tandem is él. Egyes esetekben a tandemek akkor fordulnak elő, amikor a levegő áramlása felülről lefelé egy kis cseppet dob ​​a fürtre. Egy kis csepp nem tud beilleszteni egy klaszterbe – túl könnyű, és az egyik nagy csepp "lovagol".

Felfelé gőz-levegő áramlás az infravörösben

Az optikai tartományban lévő klaszter képek és videofelvételek mellett termikus képeket is nyertek: azt is mutatják, hogy a folyadék felszínén és a klaszter hőmérséklet-eloszlásánál emelkedik a pára-hő "fáklya".

Más kutatók érdeklődnek a felfedezés iránt, beleértve az A.V. által vezetett csoportot is.Shavlova az orosz Tudományos Akadémia Szibériai Fióktelepe (SB) Tyumenban. Megpróbálták tanulmányozni a cseppecskék klaszteréhez hasonló szerkezetek kialakulását a légköri felhőkben és a ködben, valamint vizsgálni a cseppecskék elektromos töltésének lehetséges hatását egy klaszterben. L. A. Dombrovsky az Orosz Tudományos Akadémia Moszkvai Magas hőmérsékleti Intézetétől a klaszter hő- és tömegátvitelének számításait végezte. Az orosz Tudományos Akadémia szibériai fióktelepe Novoszibirszki Thermophysics Intézetének tudósai kezdték el tanulmányozni a mikropropilák kölcsönhatását egy klaszterben, nedves levegővel a kontaktvonal területén. Egy nemzetközi csoport Oroszországból, az USA-ból és Izraelből, valamint az A. A. Fedorets-szel együtt vizsgálta a klaszter-önszerveződést úgy, hogy az úgynevezett Voronoi entrópiát rendezettségét jellemzi. Ennek eredményeként a klaszterképzés mechanizmusa sokkal tisztábbá vált.

Gyermek aerodinamika

Többé-kevésbé világos, hogy mi határozza meg a vízréteg fölött lebegő cseppek egyensúlyát: ahogy felfelé mozdulnak, a gőz-levegő sugárban lévő emelőerő gyengül, és ahogy leereszkednek, ezzel szemben nő. Így egy bizonyos egyensúlyi magasságban fagynak be.De miért rendelkezik a klaszter rendezett formában? Az a benyomás, hogy a cseppek között van néhány vonzás és visszataszító erő, állandó távolságot tartva. Mi az erők természete? A kérdésre adott választ a Wisconsin-i Milwaukee Egyetem kutatócsoportja, a Tyumen Állami Egyetem, az Ariel Egyetem (Izrael) és az Orosz Tudományos Akadémia Nagy Hőmérsékleti Intézete (A. Fedorets és munkatársai: Self-assembled levitating clusters of water droplets: pattern-formation and stability //) Tudományos jelentések, 2017, 7, 1888; doi: 10.1038 / s41598017-02166-5), amely magában foglalja mind az A. A. Fedoreteket, mind e cikk szerzőjét.

A hatszögletű szerkezet a legszélesebb csomagolás. Például egy hasonló struktúrában borsó gyűjtésével, a konkáv tálca közepére lebegve. A cseppek leeresztése a fűtött hely középpontjába érthető: a gőz-levegő áramának a legmagasabb hőmérséklete és nagy intenzitása van. De mi nem teszi lehetővé a cseppek összeolvadását egymással? Melyek a visszataszító erők közöttük? Ezek az erők lehetnek elektrosztatikusak vagy aerodinamikusak.

Annak érdekében, hogy az első mechanizmus működjön, a cseppek gyenge elektromos töltést hordoznak. A Coulomb-visszatolonító erő megakadályozná, hogy közelebb kerüljenek egymáshoz és megakadályozzák az egyesülést.A kísérletek azonban nem mutattak ki elektromos töltést a cseppekben. Ezenkívül a tandemek stabilitása a víztartály cseppjein vagy felszínén felhalmozódott töltéshez kapcsolódó elektrosztatikus erők ellen szól.

A másik mechanizmus aerodinamikai erő: Bernoulli törvény szerint, ha két ideálisan sima gömböt helyeznek el folyadék vagy gáz sugárzására, akkor közöttük vonzó erő keletkezik, amelyet a cseppek közötti szűkületben a sugársebesség növekedése okoz. Az aerodinamikai erő azonban nem mindig vonzó, a Bernoulli-törvény csak nagy cseppekre igaz, amikor a határréteg elhanyagolható. A fürtben a cseppek kicsiek, és a köztük lévő távolság kisebb lehet, mint a viszkózus határréteg vastagsága. Ha ez a réteg hatással van, akkor a sugárhajtás sebessége csökken. Innen az eredmény paradox makroszkopikus folyadékdinamika: két csepp egymáshoz közelít a csepp átmérőjének távolságától! Ha a klaszterben sok csepp van, a helyzet bonyolultabbá válik, de a repulzió aerodinamikai mechanizmusa ugyanaz marad, mint két csepp.Egy egyszerűsített probléma numerikus szimulációja – egy háromdimenziós modell, amely 7 gömbbel rendelkezik, átmérője 60 mikron – azt mutatta, hogy a cseppek között stabil nyomáskülönbségek keletkeznek. Valójában vannak rövid hatótávolságú repulzív erők aerodinamikus jellegűek.

A legnagyobb cseppek a legmelegebb zónánál helyezkednek el.

A videókonkénti görgetéskor néha megfigyelhetők az egyes cseppek egyesülése egymás között, amely stabilan reprodukálódik a klaszter-generáció bizonyos feltételei mellett. Minőségi szinten egyértelmű, hogy ez az aerodinamikai folyamatok eredményeképpen következik be, mivel ezt a hatást nehéz megmagyarázni az elektrosztatikus repulzió Coulomb-erői segítségével.

A cseppklaszter önszerveződését és szerkezetének rendezettségét kényelmesen jellemzi a Voronoi entropia nevű paraméter, amelynek használatát a klaszter leírására az Ariel Egyetem Edward Bormashenko vezette kutatók javasolják. Ezt az entrópiát vizuálisan lehet meghatározni: a fürtképeknek az egyes cseppekhez tartozó zónák feldarabolásához a Voronoi polyhedrát (a tér elosztásának módját G. Rodriguez Voronoy, a Szentpétervári Tudományos Akadémia 1907 óta felelős tagja) javasolja.Egy egyenletesen rendezett klaszter esetében a Voronoi entrópia közel van a nullahoz, és egy rendezetlen klaszter számára nagy. Amikor a klaszter új cseppekkel végződik, az entrópia rövid kitörései megfigyelhetők, de általában a klaszteres cseppek számának növekedésével egyre növekszik a rendszerváltozás mértéke. Az újonnan érkező cseppek a klaszter hatszögletű szerkezetének perturbációit eredményezik, és minél aktívabban fejeződik be, annál nagyobb a Voronoi entrópia.

Voronoi partíció a klaszter entrópia kiszámításához

Miért fontos és hogyan kell használni?

A klasztert több tényező hozza létre: hőmérséklet gradiens, gőznyomás gradiens és a cseppek mechanikai mozgása. A kiegyensúlyozatlan termodinamika a hőmérsékletet és a koncentráció gradiensét a termodinamikai erőkhöz kapcsolja. Az ilyen erők konjugációját Lars Onsager elmélete írja le, aki az 1968-as kémiai Nobel-díjat nyerte el. A nem-egyensúlyi rendszerek önszerveződésének és önszerelésének folyamatát egy másik Nobel-díjas Ilya Prigogine vizsgáltatta. Az önszerveződő struktúrák klasszikus példája a Rayleigh-Benard konvektív sejtek, amelyek alulról felmelegített folyadékot tartalmaznak.Ezek a sejtek hatszög alakú szerkezetet is képeznek, mint például egy méhsejt (lásd: Chemistry and Life, No. 2, 2017). Így a cseppklaszterek a klasszikus Prigozhin mellett új típusú önszerveződő struktúrák is.

Az aeroszolos mikropropilensek kondenzációja számos folyamat fontos eleme, a természetből és az éghajlatváltozásból a mikro- / nanofluidikumhoz és a biogenezishez (az élet megjelenéséhez, ahol szerepet játszhat a mikrocseppek katalitikus hatása). Feltételezzük, hogy a cseppklaszter jelenségének felderítése és magyarázata segít megérteni az alapvető fizikai-kémiai jelenségeket, beleértve a mikrocseppek szerepét a természetes kémiai reakciók katalízisében, valamint új módszereket hoz létre az aeroszolok elemzésére és ellenőrzésére. Ez a tudás fontos szerepet játszhat a mikrofluidika gyorsan fejlődő területén. Általában nagyon nehéz nyomon követni a mikrocseppeket, mérni összetételüket, mivel instabil konglomerátumokat, például felhőket képeznek. A klaszter egy stabil forma, amely lehetővé teszi a cseppek tanulmányozását. A mikrocseppek klasztermechanizmusainak megértése alapvető szempontból is fontos: ilyen szokatlan szerkezet, mint a "rendezett köd",nem lehet érdekes. A kémiai cseppecskék mikroproponokban hajthatók végre, ami nagyon ígéretes alkalmazásokat ígér.

A jelenlegi trend az eszközök miniatürizálása és olyan eszközök létrehozása, mint a "laboratóriumok egy chipen" (lab-on-a-chip), különböző mikro / nanoelektromos mechanikus rendszerek (MEMS / NEMS, bioMEMS stb.). Ezért a kémiai analízishez új típusú mikroreaktorok és mikrorendszerek szükségesek, beleértve a cseppek alapjait is. Segítségükkel olyan csodálatos hatásokat érhet el, mint például a kémiai reakciók és a logikai műveletek összekapcsolása (Irving R. Epstein, Can Droplets and Bubbles Think? // tudomány, 2007, 315, 5813, 775-776, doi: 10.1126 / science.1138325). De itt az új kezelési módok szükségesek. Egy stabil csepp-klaszter, amely tíz percig élhet, tökéletes ilyen manipulációkhoz.

A közelmúltban Alexander Fedorets kísérletileg bizonyította annak lehetőségét, hogy stabil klasztereket kapjunk, mikroprocesszorok hőmérséklete kissé meghaladja a 20 ° C-ot. Ez azt jelenti, hogy a klaszter nem lesz túl forró a biokémiai folyamatok kutatásához. Lehetőség volt arra is, hogy kidolgozzuk a klaszterek kis méretű, nagyon közel álló méretű cseppek létrehozásának módját – felhasználhatók különböző szerkezetek stabilitásának tanulmányozására, ha túl kevés csepp van a hatszögletű rács kialakításához.Így a "rendezett köd" gyakorlati alkalmazása nem messze van.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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