Name: magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
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RJAH acknowledges support from EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS acknowledges funding from EPSRC under grant number EP/K5035-4X/1.

NOTA: O dispositivo experimental é mostrado esquematicamente na Fig. 2. A parte principal do aparelho é constituído por uma plataforma rotativa (300 mm x 300 mm) montado no cilindro de cobre (55 mm de diâmetro) que desce sob o seu próprio peso no forte campo magnético de um magneto supercondutor (1,8 T), com um quarto furo vertical, temperatura. A plataforma é feita para girar através de um motor fora de eixo que gira um deslizamento de suporte com um orifício buraco da fechadura. O cilindro de cobre está ligado a um veio de chave em forma de disco que roda simultaneamente, e uma vez que o desce-pino de retenção é removido. 1. Preparação de equipamentos não-padrão <ol><li> barco de flotação <ol><li> Adicione o tamanho do barco de tal modo que ele se adapta confortavelmente no interior do tanque experimental sem tocar os lados. NOTA: O barco de flotação (ver Fig. 3) é composto por paredes de poliestireno e uma base de esponja. </li><li> Proteger a esponja com uma camada de stlenço de papel rong. NOTA: A finalidade do papel de seda é dissipar o máximo impulso vertical a partir do fluido derramado para dentro do barco quanto possível. </li></ol></li></ol> 2. Preparação da Experiência <ol><li> Preparação de camadas líquidas <ol><li> Permitir que a água destilada para chegar até à temperatura de laboratório (22 ± 2 ° C). Cerca de 650 ml é necessária para cada realização experimental. NOTA: Permitir que a mistura se equilibre evita a formação de bolhas na experiência devido à exsolving ar. </li><li> Separa-se a água destilada em volumes iguais em dois recipientes separados, A e B, os quais irão ser utilizados para preparar o líquido para a camada densa e inferior da camada superior de luz respectivamente. </li><li> Preparação ex-situ da camada inferior densa. Para o conteúdo do recipiente A: <ol><li> Adicionar NaCl a atingir uma concentração de 0,43 mol de NaCl por litro de água (cerca de 25 g de NaCl por litro deserá necessário água); </li><li> Adicionar corantes de rastreamento de água 0,33 g de vermelho e azul para o recipiente camada inferior (por exemplo, Cole-Parmer 00295-16 e -18); </li><li> Adicionar 0,1 g L -1 de fluoresceína de sódio. NOTA: A camada inferior será agora ser opacos e ter uma densidade de cerca de 1012,9 ± 1,2 kg m -3. </li></ol></li><li> Preparação ex-situ da camada superior de luz. Para o conteúdo do recipiente B: <ol><li> Adicionar sal de MnCl2 para atingir uma concentração de 0,06 mol de MnCl 2 por litro de água (cerca de 12 g de MnCl2 por litro de água). NOTA: A camada superior será transparente em aparência e têm uma densidade de cerca de 998,2 ± 0,5 kg m -3. </li></ol></li><li> Para variar a viscosidade das camadas de fluido, adicionar glicerol C 3 H 8 O 3 em quantidades iguais a cada camada, até a viscosidade desejada é atingida. viscositie típicas encontram-se na faixa de 1,00 × 10 -3 - 21,00 × 10 -3 Pa s. A viscosidade de cada camada é a mesma. NOTA: As misturas podem ser armazenados com segurança em seus recipientes separados até serem necessárias. </li><li> Preparação ex-situ de estratificação da densidade. <ol><li> Adicionar 300 mL do conteúdo do recipiente para o tanque interior cilíndrica (ver Fig. 2). </li><li> Mergulhe a esponja do barco de flutuação no fluido do recipiente B. NOTA: Depois de (2.1.6.2) o procedimento é sensível ao tempo, por isso não realizar quaisquer passos até que todo o íman e a iluminação, gravação e mecanismos mecânicos estão prontos. </li><li> Levantar o barco flotação para fora do recipiente B e, quando parou de gotejamento, colocar cuidadosamente o barco de flutuação na parte superior da camada de fluido denso no tanque cilíndrico interior. </li><li> Começar a adicionar o líquido da camada de luz a partir do recipiente B para o barco de flutuação, com um caudal de3 ml / min. Aumentar gradualmente a esta taxa de fluxo de como o barco flotação levanta em relação à interface entre as duas camadas. Manter uma taxa suficiente fluxo lento que a interface não é perturbado pelo aumento da dinâmica do fluxo de fluido, mas rápido o suficiente para que este processo não leva mais do que 20 min. Manter o enchimento até que a camada superior contém 320 ml de fluido. NOTA: A camada inferior será a uma profundidade de aproximadamente 33 mm e a camada superior estará a uma profundidade de aproximadamente 39 mm. </li><li> Cuidadosamente abaixe a tampa Lucite na camada superior de modo que as profundidades de camada de cada camada são iguais. Permitir que o fluido e o ar flua através dos orifícios de purga, assegurando que nenhum ar fica preso por baixo. Observar uma camada (aprox. 6 mm) do líquido desobstruído leve camada na parte superior da tampa de acrílico. Observação: se o processo foi bem sucedido haverá duas camadas de líquido de igual profundidade com uma interface bem definida entre eles. A espessura da camada de difusão na interface será menor do que 2 mm nesta fase. </li></ol></li><li> Encha o tanque exterior com água destilada clara até uma altura de 6 mm acima da tampa de acrílico do depósito interno. Ao observar-quadrado em que não haverá paralaxe induzida por curvatura resultante a partir do tanque cilíndrico interior. Observação: Uma vez que os líquidos em cada camada são continuamente difundir através da interface neste ponto, prosseguir imediatamente para os passos seguintes. </li></ol></li><li> Spin-up da estratificação <ol><li> Coloque o tanque experimental sobre a plataforma. </li><li> Posicionar o arranjo com o cilindro de cobre no orifício do íman, o veio de accionamento através do orifício de fechadura na pista e o pino de retenção em posição. Certifique-se de que o tanque está longe (60 cm) a partir do íman de tal modo que as forças magnéticas sobre os líquidos são negligenciáveis ​​nesta posição. NOTA: Levar o tanque experimental contendo a estratificação apresenta algumas dificuldades; longa, baixa amplitude, ondas se movimentando criado por andar com the tanque irá decair distância, tendo efeito insignificante sobre a qualidade da interface alcançada quando flutuando na camada superior em. </li><li> Ligar o motor, aumentando a taxa de rotação a 0.002 rad s -2, girando-se o fluido para a velocidade de rotação desejada. Para as taxas de rotação em 16 o tempo de spin-se era da ordem de 20 min - 60 min. NOTA: A velocidade de rotação mais rápida usada foi de 13,2 rad s -1. </li></ol></li></ol> 3. Execução de Experiment <ol><li> Certifique-se de que o íman está indicando uma intensidade de campo de 1,2 T, e em que a altura em que a instabilidade é iniciado o gradiente de campo é (Grad B 2) / 2 = -14,3 T 2 m-1, em que B é a indução magnética . </li><li> Assegure-se que a câmara de vídeo é disposto de tal modo que, quando o veio de accionamento está na sua posição mais baixa, quer a vista lateral da experiência está em foco, ou uma vista em planta está em foco através de um espelho placed acima do experimento. </li><li> Assegurar a iluminação ambiente é a um nível correcto, de tal modo que nenhuma da imagem capturada pela câmara é saturados, mas que a resposta total é usado (as intensidades escala de cinzentos na gama de 0-255). </li><li> Iniciar a gravação de vídeo (240 fps). Usar um controle remoto para evitar a movimentação da câmara durante a operação da função de gravação. </li><li> Remover o pino de retenção, permitindo que o tanque de descer, durante a rotação, para o campo magnético. </li></ol> Experiência 4. Redefinir <ol><li> Redefinir plataforma experimental <ol><li> Use o controle remoto para interromper a gravação do vídeo. </li><li> Salve o arquivo de filme para o disco. </li><li> Ao lado, diminuir a tensão para o motor de modo que retarda a uma paralisação. Execute isso gradualmente, de modo a evitar derrames. </li><li> Remover arranjo experimental de ímã. </li><li> Descarte as camadas líquido misturado de forma adequada (ver manganês Cloreto tetra MSDS). </li><li> Enxaguar o tanque com água (istonão precisa de ser destilada), até que todos os vestígios de sais foram removidos por lavagem. Evitar o contato direto da pele com líquidos. </li><li> Seca-se o tanque com cuidado com lenço de papel para assegurar que nenhum resíduo é deixado que podem contaminar as experiências subsequentes. </li></ol></li></ol> Processamento 5. Imagem <ol><li> Extrair as imagens individuais de cada quadro do filme e salvar em lossless formato .png. Mascarar todas as áreas indesejadas de cada quadro, por exemplo, a plataforma ou cilindro de cobre. </li><li> Calcula-se a função de auto-correlação bidimensional 16 de cada quadro de imagem para 2 s após o início da instabilidade usando uma Transformada Rápida de Fourier discreta. Grave a mínima, média, e o valor máximo do comprimento de onda observado para a taxa de rotação da experiência e a viscosidade das camadas de fluido. </li></ol>

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	<li>Lewis, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+instability+of+liquid+surfaces+when+accelerated+in+a+direction+perpendicular+to+their+planes.+II.">The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II.</a> Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).</li><li>Read, K. 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B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+instability+:+experiments+with+image+analysis.">Rayleigh-Taylor instability : experiments with image analysis.</a> Dyn. Atmos. Oceans. 20, 127-153 (1993).</li><li>Jacobs, J. W., Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+instability+in+complex+stratifications.">Rayleigh-Taylor instability in complex stratifications.</a> J. Fluid Mech. 542, 251-279 (2005).</li><li>Linden, P. F., Redondo, J. M., Youngs, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mixing+in+Rayleigh-Taylor+instability.">Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability.</a> J. 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Soc., A. 93, 99-113 (1917).</li><li>Carl&#232;s, P., Huang, Z., Carbone, G., Rosenblatt, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+Instability+for+Immiscible+Fluids+of+Arbitrary+Viscosities:+A+Magnetic+Levitation+Investigation+and+Theoretical+Model.">Rayleigh-Taylor Instability for Immiscible Fluids of Arbitrary Viscosities: A Magnetic Levitation Investigation and Theoretical Model.</a> Phys. Rev. Lett. 96, 104501 (2006).</li><li>Huang, Z., De Luca, A., Atherton, T. J., Bird, M., Rosenblatt, C., Carl&#232;s, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+Instability+Experiments+with+Precise+and+Arbitrary+Control+of+the+Initial+Interface+Shape.">Rayleigh-Taylor Instability Experiments with Precise and Arbitrary Control of the Initial Interface Shape.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 204502 (2007).</li><li>Baldwin, K. A., Scase, M. M., Hill, R. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Inhibition+of+the+Rayleigh-Taylor+Instability+by+Rotation.">The Inhibition of the Rayleigh-Taylor Instability by Rotation.</a> Sci. Rep. 5, 11706 (2015).</li><li>Rossby, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+of+B&#233;nard+convection+with+and+without+rotation.">A study of B&#233;nard convection with and without rotation.</a> J. Fluid Mech. 36, 309-335 (1969).</li></ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Há dois passos críticos no âmbito do protocolo. O primeiro é 2.1.6.4. Se a camada de luz é lançada sobre a camada densa demasiado rapidamente, em seguida, a mistura irreversível das duas camadas de fluidos miscíveis ocorre. É essencial que este é evitado e que uma interface nítida (&lt;2 mm) entre as duas camadas é conseguida. O segundo passo crítico é 3.1.5. Se o experimento é liberado para o ímã sem estar completamente girou-se em rotação corpo sólido ou sem o aparelho de captura de visualização ...

<html> Um sistema de fluido de densidade estratificada constituída por duas camadas podem ser dispostos em um campo gravitacional em qualquer um estável ou uma configuração instável. Se a camada pesada densa está subjacente à camada menos densa, luz, em seguida, o sistema é estável: perturbações na interface são estáveis, restaurada por gravidade, e as ondas podem ser suportados na interface. Se a camada pesada se sobrepõe à camada de luz, em seguida, o sistema é instável e perturbações para a interface de crescer. Esta instabilidade fluido fundamental é a instabilidade Rayleigh-Taylor 7, 8. Exactamente o mesmo pode ser observada instabilidade em sistemas não-rotação que são acelerados em direcção da camada mais pesada. Devido à natureza fundamental da instabilidade que se observa em muitos fluxos que também variam muito em escala: de pequena escala película fina fenômenos 9 às características escala astrofísicos observados em, por exemplo, a Nebulosa do Caranguejoef &quot;&gt; 10, onde são observadas estruturas semelhantes a dedos, criado por ventos pulsar ser acelerado através de restos de supernova mais densas. É uma questão em aberto sobre a forma como a instabilidade Rayleigh-Taylor podem ser controladas ou influenciadas uma vez que a diferença inicial densidade instável tem sido estabelecida numa interface. uma possibilidade é a de considerar rotação maior parte do sistema. a finalidade das experiências é o de investigar o efeito da rotação sobre o sistema, e se esta pode ser uma via para a estabilização. Consideramos que um sistema de fluido que é constituída por uma camada de estratificação dois gravitacionalmente instável que está sujeita a rotação constante em torno de um eixo paralelo à direcção da gravidade. Uma perturbação de uma estratificação de densidade de duas camadas instável conduz à geração baroclínica de vorticidade, ou seja, a capotagem, na interface, que tende a quebrar-se quaisquer estruturas verticais. No entanto, um fluido de rotação é conhecida a organizar-se em r verticais coerenteructures alinhado com o eixo de rotação, de modo que o &#39;Taylor colunas&#39; 11. Por isso, o sistema sob investigação é submetido a competição entre o efeito de estabilização da rotação, que está a organizar o fluxo em estruturas verticais e impedindo as duas camadas capotagem, e o efeito de desestabilização do fluido mais denso que cobre o fluido mais leve que gera um movimento de capotamento na interface . Com o aumento da velocidade de rotação a capacidade das camadas de fluido para mover radialmente, com sentido oposto um ao outro, de modo a rearranjar-se numa configuração mais estáveis, é cada vez mais inibida pelo teorema de Taylor-Proudman, 12, 13: o movimento radial é reduzida e as estruturas observadas que se materializam como a instabilidade desenvolve são menores em escala. FIG. 1 mostra qualitativamente o efeito da rotação sobre os turbilhões que se formam como a instabilidade desenvolve. Noimagem mão esquerda não há rotação e o fluxo é uma aproximação à instabilidade clássica não rotativo Rayleigh-Taylor. Na imagem do lado direito todos os parâmetros experimentais são idênticos aos da imagem esquerda, excepto que o sistema está a ser rodado em torno de um eixo vertical alinhado com o centro do tanque. Pode ser visto que o efeito de rotação é o de reduzir o tamanho dos remoinhos que se formam. Este, por sua vez, resulta em uma instabilidade que se desenvolve de forma mais lenta do que a contraparte não rotativa. Os efeitos magnéticos que modificam o tensor de tensão no fluido pode ser considerado como actuando na mesma maneira que um campo gravitacional modificado. Estamos, portanto, capaz de criar uma estratificação gravitacionalmente estável e girá-lo em rotação corpo sólido. As forças de corpo magnéticos gerados por impor o campo magnético gradiente então imitar o efeito de modificar o campo gravitacional. Isto torna a interface instável de tal forma que o sistema de fluido behaves, com uma boa aproximação, como a instabilidade Rayleigh-Taylor clássica sob rotação. Esta abordagem foi anteriormente tentada em duas dimensões, sem rotação 14, 15. Para obter um gradiente de campo magnético aplicado com induzida campo magnético B, a força aplicada ao corpo de um fluido constante χ volume de susceptibilidade magnética é dada por f = graduado (χ B 2 / μ 0), em que B = | B | e μ 0 = 4π × 10 -7 NA -2 é a permeabilidade magnética do espaço livre. Podemos, portanto, considerar o íman para manipular o peso efectivo de cada camada de fluido, onde o peso efectivo por unidade de volume de um fluido de ρ densidade num campo gravitacional da força g é dada por ρ g - χ (∂ B 2 / ∂ Z ) / (2 μ 0).

<table><tbody><tr><td>Blue water tracing dye</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>Red water tracing dye</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>Sodium Chloride</td><td></td><td></td><td>&gt;99% purity</td></tr><tr><td>Manganese Chloride Tetrahydrate</td><td></td><td></td><td>See MSDS</td></tr><tr><td>Fluorescein sodium salt&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnet</td><td>Cryogenic Ltd. London</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability

Técnicas clássicas para investigar a instabilidade Rayleigh-Taylor incluem o uso de gases comprimidos 1, foguetes 2 ou motores eléctricos lineares 3 para inverter a direção efetiva da gravidade, e acelerar o fluido de isqueiro para o fluido mais denso. Outros autores, por exemplo 4, 5, 6 têm uma estratificação separados gravitacionalmente instável com uma barreira que é removido para dar início ao fluxo. No entanto, a interface inicial parabólica no caso de uma estratificação rotativo impõe dificuldades técnicas significativas experimentalmente. Queremos ser capazes de girar-se a estratificação em rotação de corpo sólido e só então iniciar o fluxo, a fim de investigar os efeitos de rotação sobre a instabilidade Rayleigh-Taylor. A abordagem que aqui adoptada é a utilização do campo magnético deum magneto supercondutor para manipular o peso efectivo dos dois líquidos de dar início ao fluxo. Criamos uma estratificação de duas camadas gravitacionalmente estável usando técnicas de flutuação normais. A camada superior é menos denso do que a camada inferior e para que o sistema é estável Rayleigh-Taylor. Esta estratificação é, então, girou-up até que ambas as camadas estão em rotação de corpo sólido e uma interface parabólica é observado. Estas experiências usam fluidos com baixa susceptibilidade magnética, | χ | ~ 10 ~ 6 - 10 ~ 5, em comparação com um ferrofluidos. O efeito dominante do campo magnético se aplica uma força de corpo para cada camada alterando o peso efetivo. A camada superior é fracamente paramagnético enquanto a camada inferior é fracamente diamagnético. Quando o campo magnético é aplicado, a camada inferior é repelido do íman enquanto que a camada superior é atraído em direcção ao íman. Uma instabilidade Rayleigh-Taylor é obtida através da aplicação de um campo magnético de gradiente elevado. Observou-se, ainda, que increasing a viscosidade dinâmica do fluido em cada uma das camadas, aumenta o comprimento da escala de instabilidade.

FIG. 4 mostra o desenvolvimento da instabilidade Rayleigh-Taylor na interface entre os dois fluidos, para quatro taxas diferentes de rotação: Ω = 1,89 rad s-1 (linha de cima), Ω = 3,32 rad s -1, Ω = 4,68 rad s - 1, e Ω = 8,74 rad s -1 (linha de fundo). A interface é mostrado em evolução no tempo de t = 0 s (coluna da esquerda) com incrementos de 0,5 s para t = 3,0 s (coluna da direita). Por conseguinte, a colu...

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Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

Medições de transferência de calor convectiva instantânea Local em uma tubulação - fluxo único e duas fases

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that characterize the transport phenomena in a rotating channel are identified via the parametric analysis of the momentum and energy equations referring to a rotating frame of reference. Based on these dimensionless flow equations, an experimental strategy that links the design of the test module, the experimental program and the data analysis is formulated with the attempt to reveal the isolated Coriolis-force and buoyancy effects on heat transfer performances. The effects of Coriolis force and rotating buoyancy are illustrated using the selective results measured from rotating channels with various geometries. While the Coriolis-force and rotating-buoyancy impacts share several common features among the various rotating channels, the unique heat transfer signatures are found in association with the flow direction, the channel shape and the arrangement of heat transfer enhancement devices. Regardless of the flow configurations of the rotating channels, the presented experimental method enables the development of physically consistent heat transfer correlations that permit the evaluation of isolated and interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on the heat transfer properties of rotating channels.

Here, we present an experimental method for decoupling the interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on full-field heat transfer distributions of a rotating channel.

Força de Coriolis desacopladas e efeitos de flutuabilidade rotativa em campo-total de calor transferir Propriedades de um canal de rotação

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

Construção e operação de um sistema de Motor controlado por luz ouro Nanorod Rotary

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Measuring Magnetically-Tuned Ferroelectric Polarization in Liquid Crystals

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due to their potential applications for future device technologies such as sensors and storage. However, conventional approaches, which usually utilize materials containing magnetic metal ions (or radicals), have a major problem: only a few materials have been found to show the coupling phenomena at room temperature. Recently, we proposed a new approach to achieve room-temperature magnetoelectrics. In contrast to conventional approaches, our alternative proposal focuses on a completely different material, a &#34;liquid crystal&#34;, free from magnetic metal ions. In such liquid crystals, a magnetic field can be utilized to control the orientational state of constituent molecules and the corresponding electric polarization through magnetic anisotropy of the molecules; it is an unprecedented mechanism of the magnetoelectric effect. In this context, this paper provides a protocol to measure ferroelectric properties induced by a magnetic field, that is, the direct magnetoelectric effect, in a liquid crystal. With the method detailed here, we successfully detected magnetically-tuned electric polarization in the chiral smectic C phase of a liquid crystal at room temperature. Taken together with the flexibility of constituent molecules, which directly affects the magnetoelectric responses, the introduced method will serve to allow liquid crystal cells to acquire more functions as room-temperature magnetoelectrics and associated optical materials.

In this report, we present a protocol to examine direct magnetoelectric effects, i.e., induction of ferroelectric polarization by applying magnetic fields, in liquid crystals. This protocol provides a unique approach, supported by the softness of liquid crystals, to achieve room-temperature magnetoelectrics.

Medir a polarização ferroelétrica magneticamente sintonizado em cristais líquidos

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due ...

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

Analisando falta de homogeneidade de mistura em um dispositivo micro, pela técnica Microscale Schlieren

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

Bioengenharia

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

Caracterização magneto-óptica espectral e de ângulo-resolvido de nanoestruturas fotônicas

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Induction of Microstreaming by Nonspherical Bubble Oscillations in an Acoustic Levitation System

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. Experimental observations suggest that the temporary permeabilization of these barriers may be due to shear stress that is exerted on cell tissues by cavitation microstreaming. Cavitation microstreaming is the generation of vortex flows which arise around oscillating ultrasound microbubbles. To produce such liquid flows, bubble oscillations must deviate from purely spherical oscillations and include either a translational instability or shape modes. Experimental studies of bubble-induced flows and shear stress on nearby surfaces are often restricted in their scope due to the difficulty of capturing shape deformations of microbubbles in a stable and controllable manner. We describe the design of an acoustic levitation chamber for the study of symmetry-controlled nonspherical oscillations. Such control is performed by using a coalescence technique between two approaching bubbles in a sufficiently intense ultrasound field. The control of nonspherical oscillations opens the way to a controlled cavitation microstreaming of a free surface-oscillating microbubble. High-frame rate cameras allow investigating quasi-simultaneously the nonspherical bubble dynamics at the acoustic timescale and the liquid flow at a lower timescale. It is shown that a large variety of fluid patterns may be obtained and that they are correlated to the modal content of the bubble interface. We demonstrate that even the high-order shape modes can create large-distance fluid patterns if the interface dynamics contain several modes, highlighting the potential of nonspherical oscillations for targeted and localized drug delivery.

A fast and reliable technique is proposed to control the shape oscillations of a single, trapped acoustic bubble that is based on coalescence technique between two bubbles. The steady-state, symmetry-controlled bubble shape oscillations allow analysis of the fluid flow generated in the vicinity of the bubble interface.

Indução de Microstreaming por Oscilações de Bolhas Não Esféricas em um Sistema de Levitação Acústica

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. ...