Dinâmica dos Fluidos Funciona em nanoescala no Mundo Real

Published on February 27, 2007 at 12:18 PM

Em 2000, Georgia Tech pesquisadores mostraram que a teoria de dinâmica de fluidos pode ser modificado para funcionar em escala nanométrica, embora em um vácuo. Agora, sete anos mais tarde eles mostraram que ele pode ser modificado para funcionar no mundo real, também - isto é, fora de um vácuo. Os resultados aparecem na edição de 09 de fevereiro Physical Review Letters (PRL).

Compreensão do movimento de fluidos é a base para uma enorme quantidade de engenharia e tecnologia na vida contemporânea. Aviões voam e navios de vela, porque os cientistas a compreender as regras de como os fluidos como água e ar se comportam sob condições variáveis. O princípio matemáticas que descrevem essas regras onda estendeu mais de 100 anos atrás, e são conhecidas como as equações de Navier-Stokes. Eles são bem conhecidas e compreendidas por qualquer cientista ou estudante no campo. Mas agora que os pesquisadores estão investigando o reino do pequeno, uma questão importante surgiu, a saber: como é que estas regras de trabalho quando os fluidos e os fluxos são medidos em nanoescala? Fazer as mesmas regras se aplicam ou, dado que o comportamento de materiais neste regime tamanho muitas vezes tem pouco a ver com a sua macro-sized primos, há novas regras a serem descobertas?

É bem conhecido que os sistemas pequenos são influenciados por acaso e ruído mais do que os sistemas de grande porte. Devido a isso, Georgia físico Tecnologia Uzi Landman fundamentado que modificar as equações de Navier-Stokes para incluir elementos estocásticos - que é dar a probabilidade de que um evento irá ocorrer - lhes permitam descrever com precisão o comportamento de líquidos em regime de escala nanométrica.

Escrevendo no 18 de agosto de 2000, da revista Science, Landman e pós-doutorado Michael Moseler experimentos de simulação usou o computador para mostrar que a formulação de Navier-Stokes estocástico funciona para nanojets fluido e nanobridges em um vácuo. As previsões teóricas deste trabalho inicial ter sido confirmada experimentalmente por uma equipa de cientistas europeus (veja a 13 de dezembro, 2006, edição da Physical Review Letters). Agora, Landman e estudante Wei Kang descobriram que por mais modificar o estocástico Moseler-Landman Navier-Stokes, podem descrever com precisão esse comportamento em um ambiente não-vazia realista.

"Houve uma forte opinião que a teoria de dinâmica de fluidos deixaria de ser válida para sistemas de pequeno porte", afirmou Landman, diretor do Centro de Materiais Ciência Computacional, Regents 'e professor do Instituto, e Callaway cadeira de física no Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Pensou-se que tudo que você podia fazer era realizar extensa, assim como caros, molecular simulações dinâmicas ou experiências, e que contínuo fluido teoria dinâmica não pode ser aplicada para explicar o comportamento de tais sistemas de pequeno porte."

O benefício da novas formulações é que essas equações podem ser resolvidos com relativa facilidade em minutos, em comparação com os dias e semanas que se leva para simular estruturas nano de fluidos, que pode conter até vários milhões de moléculas. Igualmente difícil, e às vezes até mais difícil, são experimentos de laboratório em fluidos neste regime de dimensões reduzidas.

Neste estudo, Landman e Wei simulada uma ponte propano líquido, que é uma estrutura fluida delgado conectando dois corpos maiores de líquido, bem como um canal de líquido conectando duas poças de chuva. A ponte era de seis nanômetros de diâmetro e 24 nanômetros de comprimento. O objetivo era estudar como o colapso da ponte.

No estudo realizado em 2000, Landman simulada uma ponte em um vácuo. A ponte quebrou de forma simétrica, beliscar no meio, com dois cones em cada lado. Desta vez, a simulação focada em um modelo com um ambiente de gás nitrogênio em torno da ponte em diferentes pressões de gás.

Quando a pressão do gás é baixa (menos de 2 atmosferas de nitrogênio), o rompimento ocorreu em quase da mesma maneira que fez no experimento anterior vácuo computador. Mas quando a pressão era suficientemente elevada (acima de 3,5 atmosferas), 50 por cento do tempo a ponte quebrou de uma maneira diferente. Sob alta pressão, a ponte tende a criar um segmento de comprimento e quebrar assimetricamente de um lado ou outro do fio, em vez de no meio. Até agora, a configuração do colapso tais assimétrica fio longo foi discutido apenas por pontes líquido macroscopicamente grandes e jatos.

Análise dos dados mostrou que a separação assimétrica do nanobridge em um ambiente gasoso relacionado à evaporação molecular e processos de condensação e sua dependência de a curvatura da forma do perfil nanobridge.

"Se a ponte está em um vácuo, as moléculas de evaporação a partir da ponte são sugados para longe e não voltam", disse Landman. "Mas se existem moléculas de gás em torno da ponte, algumas das moléculas que evaporam irá colidir com o gás, e devido a essas colisões das moléculas dispersas podem mudar de rumo e voltar ao nanobridge e condensar sobre ela. "

Quando voltam, podem preencher espaços onde outros átomos têm evaporado. Em outras palavras, os processos de evaporação-condensação servem para redistribuir o propano líquido ao longo do nanobridge, resultando em uma forma assimétrica da quebra. Quanto maior a pressão é em torno da ponte, maior a probabilidade de que os átomos de evaporação irá colidir com o gás e condensar-se na nanobridge. Landman e Wei têm mostrado que esses processos microscópicos podem ser incluídos no estocástico hidrodinâmico Navier-Stokes, e que as equações de recém-modificado reproduzir fielmente os resultados de seus experimentos atomística de dinâmica molecular.

"Sabendo que a teoria hidrodinâmica, que é a base de tecnologias venerável ao nosso redor, pode ser estendida para a escala nanométrica é fundamentalmente importante, e um grande alívio", disse Landman. "Particularmente assim, agora que temos sido capazes de usá-lo para descrever o comportamento de nanofluidos em um ambiente não-vazia - uma vez que esperamos que este é o lugar onde a maioria das aplicações futuras iria ocorrer ".

Last Update: 3. October 2011 11:36

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