Sibiro lašas

Sibiro lašas

Michailas Носоновский,
Ph.D., Viskonsino universitetas, Milvokis
"Chemija ir gyvybė" №7, 2017

Kartais baltos spalvos debesys gali būti stebimas šalia vandens paviršiaus karštos arbatos puodeliu. Pasirodo, jis gali virsti nuostabiu formavimu – mikroskopinių lašelių grupe, kurios sudaro tvarkingą struktūrą, panašią į kristalinę grotelę. Ši forma yra panaši į dulkių kristalus, kuriuos astronautai mokosi ant orbitos stoties (žr. Chemija ir gyvenimas, 2006 m. Nr. 4). Tai gali būti svarbiausio termodinamikos nevienodo proceso principo iliustracija: energijos srautas, praeinantis per sistemą, ne tik sukelia sunaikinimą dėl entropijos augimo, bet ir gali sukurti ilgalaikę tvarką. Gali būti, kad, išmokę kontroliuoti lašelių klasterio elgseną, mokslininkai galės sukurti mikroreaktorių sistemas cheminėms transformacijoms, taip pat atlikti kibernetines manipuliacijas su medžiaga.

Rūkau per arbatos puodelį

Viskas prasidėjo, kai jau 2003 m. Aleksandras Feodorecas, dabar Tiumenės valstybinio universiteto (dabar fizikinių ir matematinių mokslų daktaras ir to paties universiteto profesorius) studijavimas.ištyrus šildomą vandens sluoksnį mikroskopu, rado lašeliai, kabantys žemoje aukštyje ("Letters to JETP", 2004, 79, 372-374). Esant tokiems lašeliams arbatos ar kavos egzistavimui nėra neįprasta, jie kondensuojasi iš prisotinto garo. Tačiau "Fedoretai" atkreipė dėmesį į neįprastus dalykus: to paties dydžio lašeliai pakabinti tuo pačiu mažu aukščiu virš vandens paviršiaus, tokiu būdu suformuojant šešiakampio simetrijos struktūrą, tokią kaip korio.

Norėdami sukurti klasterį, ant stiklo pagrindo reikia užpilti vandens sluoksnį su šviesai sugeriančia danga ir apšviesti jį lazerio spinduliu. Infraraudonoji spinduliuotė stabilizuoja klasterį

Tolesni tyrimai parodė, kad lašelių klasteris (kaip jie vadina šį reiškinį) yra atkuriamas ir gana stabilus. Jo lašelių skaičius gali svyruoti nuo kelių dalių iki šimtų. Jis gali egzistuoti dešimtis minučių, tuo tarpu galima stebėti kiekvieno atskiro lašelio padėtį. Paaiškėjo, kad klasteris suformuotas tam tikru temperatūros gradientu. Pavyzdžiui, plonas vandens sluoksnis (apie milimetrą storio) kaitinamas lazeriu vienu tašku iki 40-90 ° C.Šildymas sukelia išgaravimą, didžiausias intensyvumas kylančios vietos išgaunamas garo ir oro srautas. Tai yra tokia srovė, kurioje lašeliai kondensuojasi aukštyje, kuriame dulkių svorį subalansuoja dujų srauto slėgis.

Tipiškas skysčių lašelis klasteryje yra 20-100 mikronų, atstumas tarp jų yra 50-250 mikronų, levitacijos aukštis yra 10-100 mikronai virš vandens sluoksnio. Dulkės kondensuojasi ir formuoja save klasteriuose. Pakeitus šildymo temperatūrą ir temperatūros gradientą, galima kontroliuoti lašelių augimo greitį, manipuliuoti atskirais lašeliais, paversti grupę, stebėti tamsių lašelių ir mažų grupių su bet kuriuo jų skaičiumi, nuo vieno iki kelių dešimčių. Klasteriai taip pat pastebimi kai kuriuose kituose skysčiuose, įskaitant benzeną ir gliceriną.

Klasterinis tyrimas

Plazminiai lašai virš kieto ar skysto paviršiaus yra žinomi mokslininkams ilgą laiką. Tačiau dažniausiai tai yra arba lašeliai virš kieto paviršiaus, šildomi gerokai virš vandens virimo taško (vadinamasis Leidenfrost efektas), arba vibracija, susieta su indų svyravimais, kai dėl garso virpesių trukdžių ore ant ore esančioje ore stovi bangų formos – tai yra mažos dalelės nuo kritimo.Kritulių klasteris kyla be jokių išorinių pastangų ir esant vidutinei oro temperatūrai virš skysto sluoksnio.

Tolesni Fedoretso ir kitų mokslininkų tyrimai išsiaiškino daugybę detalių, susijusių su lašintuvų grupe, ir leido geriau suprasti jo atsiradimo sąlygas. Tyrėjai sužinojo, kaip valdyti pakuotės tankį ir lašelių dydį. Paaiškėjo, kad tankis yra nustatomas pagal temperatūros ir vietinio šildymo skysčio vidurkį. Su santykinai dideliu šildymo plotu – lašai yra mažesni, jų yra daug, o pakuotė yra tanki. Kai šildymo plotas yra mažas, lašeliai yra maži ir tarp jų yra dideli atstumai.

Jei moduliuodami šildymo galią esant žemam dažniui, klasteris pradeda "kvėpuoti", reaguodamas į kaitros lauko pokyčius. Temperatūros augimo stadijoje lašeliai atsiskiria ir pakelia, ty padidėja levitacijos aukštis; kai temperatūra mažėja, priešingai, pakuotės tankis didėja, o levitacijos aukštis sumažėja. Žinoma, šilumos laukas veikia netiesiogiai. Jis nustato garso ore smegenų, sklindančių aplink grupę, parametrus. Aerodinaminis poveikis yra svarbus čia.

90 sekundžių lašelių skaičius didėja iš kelių gabalų klasterio į vieną šimtą penkiasdešimt, o jų išdėstymas erdvėje užsakyta

Jeigu šilumos šaltinis yra pagal laivu su skysčio, jis lašai nuolat auga dėl kondensacijos garų ir lašai plotas kinta tiesiškai su laiku, t.y. lašelių spindulys didėja proporcingai kvadratinei šakniai laiką. Tokia kinetika yra būdinga kondensacijai prisotintose garuose. Kuo daugiau galingas šilumos šaltinis ir didesnė temperatūra virš jos paviršiaus, tuo greičiau kondensacijos augimo ir didesnis už didžiausią įmanomą lašelio skersmuo: didėjant levitacijos aukštis mažėja, lašeliai požiūris tarpusavyje su skysčio paviršiaus, palieskite ją ir keletas tūkstantosios antrą blob susilieja su topsheet generuojančios kapiliarines bangas.

Saaugšana klasterio reiškia grandininę reakciją: po vieną lašą paliečia vandens sluoksnį, sukurti kapiliarų bangą ant paviršiaus, ir kad sunaikina gretimų lašelius. Procesas užtrunka sekundėmis ir vizualiai atrodo, kad akimirksniu išnyksta klasteris. Tačiau naudojant didelės spartos vaizdo įrašus (ne mažiau kaip 30 000 kadrų per sekundę), galite stebėti proceso detales.Pavyzdžiui, galima pastebėti, kad lašas turi nulinį greitį, tai yra, jis neatsiranda, bet jis susilieja su kitais dėl paviršiaus įtempio energijos.

Formuojant klasterį kartais galima stebėti stabilius tandemus iš dviejų lašų. Šio reiškinio mechanizmas yra grynai aerodinaminis: jei du lašai yra netyčia pakankamai arti, jų sūkurys sukasi kaip dvi gretimos granulės viename sriegyje. Tuomet toks tandemas, susidaręs sūkuryje, patenka į klasterį, ir tol, kol išsaugomas nuoseklus sukimasis, tandemas taip pat gyvena. Kai kuriais atvejais tandemai atsiranda tada, kai oro srautas išmeta mažą lašą ant viršaus. Mažas lašas negali integruotis į klasterį – jis yra per lengvas ir vienas iš didžiųjų lašų sėdi "astride".

Viršutinis garų ir oro srautas infraraudonoje spinduliuote

Be optinio diapazono spinduliuotės vaizdų ir vaizdo įrašų, buvo gauti šiluminiai vaizdai: juose taip pat parodyta garų karščio "degiklis", kylantis virš skysčio paviršiaus ir temperatūros pasiskirstymas grupėje.

Kiti tyrėjai yra suinteresuoti atradimu, įskaitant A.V. vadovaujamą grupę.Šavlova iš Žemės kryozės instituto SIBIRO filialo (SB) Rusijos mokslų akademijos Tiumeje. Jie bandė ištirti struktūrų, panašių į lašelių klasterį, susidarymą atmosferos debesyse ir rūkuose, taip pat ištyrė galimą elektrinio lašelių kiekio įtaką klasteriui. L. A. Домбровский iš Maskvos aukštų temperatūrų instituto Rusijos mokslų akademijos atliko skaičiavimus procesus šilumos ir masės pernešimo į klasterius. Mokslininkai iš Novosibirsko šiluminės fizikos instituto SIBIRO skyriuje Rusijos mokslų akademijos pradėjo studijuoti mikrodepraktų sąveiką klasteryje su drėgnu oru kontaktinės linijos srityje. Tarptautinė grupė iš Rusijos, JAV ir Izraelio kartu su A. A. Fedoretu ištyrė klasterio savarankiškumą, vadinamą Voronoi entropiją, kaip savybes charakterizuojantį parametrą. Dėl to klasterio formavimo mechanizmas tapo daug aiškesnis.

Vaikų aerodinamika

Tai yra daugiau ar mažiau aišku, kas lemia aukščiau vandens sluoksnio plūduriuojančių lašelių pusiausvyrą: kai jos judamos aukštyn, susilpnėja oro srauto jėgos pakėlimo jėga, o, priešingai, mažėja. Taigi jie užšaldomi tam tikros pusiausvyros aukštyje.Bet kodėl klasteris turi užsakytą formą? Susidaro įspūdis, kad tarp lašų yra tam tikrų traukos ir atstūmimo jėgų, išlaikant nuolatinį atstumą. Koks šių pajėgų pobūdis? Atsakymą į klausimą rasta mokslininkų iš Viskonsino Milvokio universiteto, Tiumenės valstybinio universiteto, Arielio universiteto (Izraelio) ir aukštų temperatūrų instituto RAS (A. Fedorets ir kt. Mokslinės ataskaitos, 2017, 7, 1888; doi: 10.1038 / s41598017-02166-5), kuriame yra ir A. A. Федоретц, ir šio straipsnio autorius.

Šešiakampė konstrukcija yra talpiausia pakuotė. Pavyzdžiui, panašiose struktūrose surinkti žirniai, nulenkiantys iki įgaubto dubens centro. Suprantama, kad lašelių nuleidimas į šildomos vietos centrą yra aukščiausia temperatūra ir didelis garų ir oro srauto intensyvumas. Bet kas neleidžia lašai sujungti vienas su kitu? Kokios yra tarp jų prieštaringos jėgos? Šios jėgos gali būti elektrostatinės arba aerodinaminės.

Kad pirmasis mechanizmas veiktų, lašeliuose turi būti silpnas elektros krūvis. Koulmo atstūmimo jėga neleistų jiems priartėti ir užkirsti kelią susijungimui.Tačiau eksperimentai neparodė elektrinio krūvio buvimo lašeliuose. Be to, tandemų stabilumas liudija elektrostatines jėgas, susijusias su įkrovimu į lašus arba ant vandens sluoksnio paviršiaus.

Kitas mechanizmas yra aerodinaminė jėga: pagal Bernulli įstatymą, jei du skysčio ar dujų srautai dedami du idealiai lygias sferas, tarp jų tarpusavyje susidaro patraukli jėga, kurią sukelia padidėjęs srauto greitis susitrauktoje erdvėje tarp lašų. Tačiau aerodinaminė jėga ne visada pritraukia, Bernulli įstatymas tiktų dideliems lašams, kai kraštinį sluoksnį galima nepaisyti. Klasteryje lašai yra maži, o atstumas tarp jų gali būti mažesnis už klampųjį sluoksnį. Kai šis sluoksnis turi poveikį, srauto greitis, priešingai, mažėja. Iš to rezultatas yra paradoksalus makroskopinei skysčių dinamikai: du lašai vienas prieš kitą yra atstumas iki lašelio skersmens! Jei klasteryje yra daug lašų, ​​situacija tampa sudėtingesnė, tačiau aerodinaminis atstumimo mechanizmas išlieka toks pat, kaip dviejų lašų.Supaprastintos problemos skaičiavimo modeliavimas – septynių sferų, kurių skersmuo yra 60 mikronų, trimatis modelis – parodė, kad tarp lašų yra stabilios padidinto slėgio sritys. Tiesą sakant, aerodinaminio pobūdžio jėgos yra artimos atstumiančios jėgos.

Didžiausi lašai yra virš karščiausių zonų.

Kai slenkantis vaizdo įrašą rėmuose, kartais galima stebėti, kaip tarpusavyje sujungiami atskiri lašai, kurie stabiliai atsinaujina tam tikromis klasterio sąlygomis. Kokybiniu lygmeniu akivaizdu, kad tai atsiranda dėl aerodinaminių procesų, nes šį efektą sunku paaiškinti naudojant elektrolitinio atbaidymo kolektyvines jėgas.

Kaulų klasterio savarankiškumas ir jo struktūros tvarkingumo laipsnis yra patogiai apibūdinamas parametru, vadinamu Voronoi entropija, kurio panaudojimą klasteriui apibūdinti pasiūlė mokslininkai, vadovaujami Edwardo Bormashenko, Arielio universiteto. Šią entropiją galima nustatyti vizualiai: skaidant klasterius į zonas, priklausančias kiekvienam lašui, yra "Voronoi polyhedra" (šį metodą padalinti erdvę pasiūlė G.F. Voronojus, atitinkamas narys Sankt Peterburgo mokslų akademijoje nuo 1907 m.).Voronio entropija yra lygi nuliui vienodai sutvarkytai grupei, o sutrikusiam grupei ji yra didelė. Kai klasteris užpildomas naujais lašais, pastebimi trumpi entropijos burtai, tačiau apskritai, kai lašelių skaičius grupėje didėja, jo tvarkingumo laipsnis didėja. Neseniai atvykstantys lašeliai įtakoja sutrikimus į šešiakampę klasterio struktūrą, tuo aktyviau jis užpildomas, tuo didesnė Voronio entropija.

Voronoi pertvara apskaičiuoti klasterio entropiją

Kodėl tai svarbu ir kaip jį naudoti

Klasterius generuoja keli veiksniai: temperatūros gradientas, garų slėgio slėgio gradientas ir mechaninis lašelių judėjimas. Nevienodo termodinamika susijusi su temperatūros ir koncentracijos nuolydžiais termodinaminėms jėgoms. Tokių jėgų konjugacija aprašyta 1969 m. Nobelio premijos chemijos premijos laureate Larso Onsagerio teorijoje. Savo organizavimo procesus ir savistaba nesubalansuotose sistemose ištyrė kitas Nobelio premijos laureatas Ilya Prigogine. Klasikinis savarankiškai organizuotų struktūrų pavyzdys yra "Rayleigh-Benard" konvekcinės ląstelės, kurios susidaro į indą su skystu šildomu iš apačios.Šios ląstelės taip pat sudaro šešiakampę struktūrą, tokią kaip medus (žiūrėkite Chemija ir gyvenimas, Nr. 2, 2017). Taigi, klasterinės Prigozinui priklausančios klasteriai pasirodė esąs naujos savaime organizuojančios struktūros.

Aerozolių mikrodumblių kondensavimas yra svarbus daugelio procesų elementas: nuo vandens ciklų gamtoje, nuo klimato formavimo iki mikro / nanofluidikos ir biogenezės (gyvybės atsiradimas, kai mikroelementų katalizatorius gali vaidinti vaidmenį). Daroma prielaida, kad aptikimas ir paaiškinimas lašelių klasterio reiškinys padės geriau suprasti esminius fizikines ir chemines reiškinius, įskaitant mikrokapslų vaidmenį natūralių cheminių reakcijų katalizijoje, taip pat sukurti naujus aerozolių analizės ir kontrolės metodus. Svarbus vaidmuo, kurį šios žinios gali atlikti greitai besivystančiose mikrofluidikų srityse. Dažniausiai labai sunku sekti mikro lašelius, kad būtų galima išmatuoti jų sudėtį, nes jie sudaro nestabilius konglomeratus, pavyzdžiui, debesis. Grupė yra stabili forma, leidžianti individualiai tyrinėti lašelius. Svarbu suprasti ir mikro-lašelių klasterio mechanizmus iš esmės: tokia neįprasta struktūra kaip "tvarkingas rūkas"negali būti įdomu. Cheminiai lašeliai gali būti naudojami mikrodropuose, o tai žada daug žadančias galimybes.

Dabartinė tendencija yra priemonių miniatiūrizavimas ir prietaisų, tokių kaip laboratorijos, sukūrimas ant lusto (Lab-on-a-chip), įvairios mikro / nanoelektromechaninės sistemos (MEMS / NEMS, bioMEMS ir kt.). Todėl cheminiams tyrimams, įskaitant tuos, kurie pagrįsti lašeliais, reikalingi nauji mikroreaktorių ir mikrosistorių tipai. Su jų pagalba galite pasiekti neįtikėtinų padarinių, pvz., Derinant chemines reakcijas ir logines operacijas (Irvingas R. Epsteinas. Ar gali būti lašeliai ir burbuliukai? Mokslas, 2007, 315, 5813, 775-776, doi: 10.1126 / science.1138325). Tačiau čia reikalingi nauji lašelių tvarkymo būdai. Stabilus lašelių klasteris, kuris gali gyventi dešimtis minučių, puikiai tinka tokioms manipulacijoms.

Neseniai Aleksandras Fedoretsas eksperimentine tvarka įrodė galimybę gauti stabilių klasterių, kurių mikrodalelių temperatūra šiek tiek viršija 20 ° C. Tai reiškia, kad klasteris nebus pernelyg "karštas" biocheminių procesų tyrimams. Taip pat buvo įmanoma parengti klasterių sudarymo iš nedidelio skaičiaus labai panašių dydžių lašelių. Jie gali ištirti įvairių struktūrų stabilumą, jei yra šešiakampių grotelių statyti per mažai lašų.Taigi praktiškas "tvarkingo rūko" pritaikymas nėra toli.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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