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폴리머의 흥미로운 난기류

by 디기릭티틱티 디기릭티틱티 2021. 8. 21.

폴리머의 흥미로운 난기류

유체에 폴리머를 추가하면 고속 이미징 실험에서 밝혀진 것처럼 유체 제트에서 새로운 종류의 난류가 발생합니다.

 

난류(혼돈 와류를 특징으로 하는 유체 흐름)는 유체의 관성이 점도보다 우세할 때 발생합니다. 난기류는 비행기의 에너지 소비를 증가시킬 때 나쁠 수 있지만 커피에 크림을 빠르게 섞을 수 있게 하면 좋은 것입니다. 당면한 상황에 맞게 난류를 수정하는 방법을 찾는 것은 오랜 연구 주제입니다. 한 가지 접근 방식은 난기류를 유발하는 자연적 메커니즘을 억제하여 에너지 소실을 줄일 수 있는 소량의 긴 고분자 분자를 추가하는 것입니다[ 1]. 연구원들은 최근 이러한 첨가제가 난류를 억제할 수 있을 뿐만 아니라 난류를 생성하기 위한 질적으로 새로운 메커니즘으로 이어질 수 있음을 인식하기 시작했습니다. 이제 Massachusetts Institute of TechnologySami Yamani와 동료들은 배경 유체에 분사되는 유체 제트라는 중요한 맥락에서 이 점을 설명합니다. 고속 이미징을 사용하여 연구원들은 제트 솔루션에 폴리머를 추가하여 유도된 새로운 흐름 구조를 조사했습니다. 다른 폴리머 농도와 분자량을 가진 제트를 관찰함으로써 그들은 그러한 흐름 구조가 근본적으로 새로운 유형의 난류의 출현을 알리는 특징을 가지고 있음을 보여줍니다[ 2 ].

 

유체 제트는 특히 유체를 함께 혼합하는 데 많은 응용 분야에서 사용됩니다. 염색수로 가득 찬 주사기를 깨끗한 물로 가득 찬 싱크대에 주입하면 그 이유를 알게 될 것입니다. 제트가 혼합을 유도하는 이유는 무엇입니까? 첫 번째 근사치로, 제트는 "외부" 유체, 즉 주변 액체에서 움직이는 "내부" 유체의 실린더입니다. 섭동으로 인해 제트 실린더가 안쪽으로 꼬집는 경우 강이 얕은 곳에서 더 빨리 흐르듯이 동일한 양의 유체가 더 좁은 지역을 통과하기 때문에 다른 곳보다 꼬집음에서 유체가 더 빨리 움직입니다. 베르누이의 원리에 따르면 속도가 증가하면 압력이 감소하므로 핀치의 낮은 압력은 외부 유체를 안쪽으로 끌어당겨 핀치를 좁히고 압력을 더 감소시킵니다. 이 기본적인 불안정성은 외부 유체가 제트로 더 이동하도록 합니다.3 ].

 

이 그림은 고분자 분자가 제트에 추가되면 사소하지 않은 방식으로 바뀔 수 있습니다. 용액에 있는 긴 선형 고분자 분자는 주변 용매의 움직임에 의해 흔들리는 작고 헐렁한 끈으로 간주될 수 있습니다. [ 4]. 정지된 유체에서 폴리머 분자와 충돌하는 용매 분자의 브라운 운동은 스트링의 다양한 부분의 방향을 무작위화합니다. 평형 상태의 폴리머는 랜덤 코일이라고 하는 구불구불한 모양처럼 보입니다. 흐르는 유체에서 유체 운동은 현을 곧게 펴는 반면 브라운 운동은 여전히 ​​스트링을 무작위화하기 위해 작동합니다. 이 두 가지 효과의 경쟁은 유체에 약간의 "탄력성"(변형될 때 원래의 형태를 회복하는 능력)을 부여하는 용매와 폴리머 사이의 힘으로 이어집니다. 이 능력은 늘어난 폴리머 분자가 폴리머 길이에 반비례하는 시간 척도에서 구불구불한 평형 구조로 다시 이완되기 때문에 발생합니다.

 

이 그림은 단순하고 균일한 흐름에서 중합체가 단순히 유체 운동에 저항하는 작용을 하여 중합체 용액의 점도 또는 변형 저항을 용매 단독의 것보다 더 높게 만든다는 것을 의미합니다. 재미는 흐름이 균일하지 않아 분자가 유체의 다른 부분에서 다르게 늘어날 때 시작됩니다. 이러한 불균일성은 유체 운동을 억제할 수 있지만 새로운 불안정성을 유발할 수 있는 폴리머 힘의 불균형으로 이어질 수 있습니다[ 5 ]. 직선 채널의 폴리머 솔루션에 대해 실험과 계산에 따르면 낮은 탄성에서 전자 효과가 지배적입니다. 스트레칭에 저항함으로써 폴리머 분자는 채널 벽 근처에서 형성되는 난류 와류를 억제합니다[ 6]. 회전축이 흐름과 정렬되는 이러한 와류의 억제는 항력 감소로 이어집니다. 그러나 더 높은 탄성을 위해 폴리머의 존재는 불안정하고 매우 다른 기능을 가진 난류 형태인 EIT(탄성 관성 난류)가 나타납니다[ 7 , 8 ]. EIT에서 와류는 더 느리고 흐름 방향에 평행하지 않고 수직인 축을 갖습니다. 모든 유체 유형에 대해 폴리머 길이는 사용되는 특정 폴리머(: 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴아미드, 알로에 베라 또는 DNA)는 그다지 중요하지 않습니다.

 

Yamani와 동료들은 물에 주입된 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 수용액에 대한 이미징 실험을 수행하여 관성과 탄성 사이의 상호 작용을 탐구합니다. PEO의 다양한 농도와 분자량을 사용하여 광범위한 매개변수 범위를 포괄하고 관성, 점도, 이완 시간 및 중합체 농도의 상대적 크기를 조정할 때 제트가 어떻게 진화하는지에 대한 자세한 지도를 제시합니다(그림 1 ).

 

몇 가지 놀라운 관찰이 나타납니다. 매우 낮은 폴리머 농도에서도 제트 난류는 극적으로 변합니다. 흐름은 매끄럽거나 ""에서 실질적으로 감소된 제트 속도에서 난류로 전환되며, 그 결과 발생하는 난류는 단순 유체의 경우와 시각적으로 매우 다릅니다. 특히, 제트는 훨씬 더 필라멘트 구조를 나타냅니다. 더 높은 농도에서는 제트의 난류 역학이 억제되어 제트 표면의 변동이 필라멘트로 성장하는 반면 제트 코어는 일관성을 유지하는 새로운 영역을 생성합니다(그림 1 의 세 번째 패널 참조 ).

 

또 다른 중요한 관찰은 이 난류가 물이나 공기와 같은 단순한 유체에서 발견되는 것과 다른 크기 조정 법칙을 나타낸다는 것입니다. 이러한 단순한 유체에서 난류 역학의 보편적인 특징은 5 3변동 주파수의 힘. 이론에 따르면 멱법칙은 일반적으로 자기 유사 시스템에서 나타납니다. 난류의 경우 자기 유사성은 다른 공간 규모에서 난류 소용돌이의 유사성입니다[ 9 ]. 연구원들은 폴리머 제트가 자기 유사성을 가리키지만 - 3. 이전에 수행된 것과 유사한 [ 10 ] 분석을 수행 하여 팀은 폴리머가 폴리머의 이완 속도보다 더 큰 속도로 유체가 늘어나는 것을 방지하기 때문에 이 값이 발생한다고 결론지었습니다. 따라서 다른 크기 조정 동작은 다른 미시적 메커니즘에 의해 지원되는 새로운 종류의 난류가 있음을 나타냅니다.

 

PEO와 같은 폴리머는 겔 형성, 스프레이의 연무 제어, 관개 수로의 수위 감소를 포함한 응용 분야에서 유체에 추가됩니다[ 11 ]. 그러나 이러한 폴리머 솔루션의 흐름에 대한 우리의 이해는 특히 이미 복잡한 난류 흐름 영역에서 여전히 많은 것을 요구합니다. Yamani와 동료들이 발견한 필라멘트 구조는 채널 흐름의 EIT에서 발생할 것으로 예측되는 시트와 같은 구조와 관련이 있을 수 있습니다[ 7]. 그러나 제트 기하학은 상세한 흐름 구조를 시각화하고 난류의 크기 조정 법칙에 대한 연결을 연구하기 위한 보다 편리한 실험 플랫폼을 제공할 수 있습니다. 보다 광범위하게, 이 작업은 폴리머 역학과 흐름 사이의 매혹적인 상호 작용에 대한 추가 연구에 동기를 부여하고 아마도 새롭고 예상치 못한 응용에 영감을 줄 것입니다.

 

일부 초전도체는 자속을 완전히 배제하지만 많은 초전도체는 적용된 자기장이 소용돌이로 알려진 얇은 튜브의 배열로만 관통하는 "스위스 치즈" 조건을 지원합니다. 5년 전 일본 그룹은 이러한 나노미터 규모 구조의 움직임을 처음으로 이미지화했습니다. 이제 그들의 미국 공동 연구자(시카고 대학의 David Grier가 이끄는)는 영화를 사용하여 소용돌이의 상호 작용 에너지와 움직임에 영향을 미치는 수정 격자 결함의 "경관"을 직접 측정했습니다. 이러한 환경을 이해하는 것은 초전도 와이어를 만드는 데 중요하지만 이전에는 그 특성을 측정하기 어려웠습니다.

3년 전, 입자 물리학의 표준 모델에 의해 예측된 여섯 번째이자 마지막 쿼크인 톱 쿼크는 거의 20년 간의 탐색 끝에 발견되었습니다. 20년 된 이론은 그대로 남아 있지만 고에너지 물리학자들은 표준 모델 너머에 있는 보다 일반적인 이론의 징후를 계속 찾고 있습니다. 그렇게 하고 이론이 예측하기 어려운 힉스 입자에 대해 배우려면 가능한 한 정확하게 최고 질량을 측정해야 합니다. PRL 의 세 편의 논문 시리즈 에서 최고를 발견한 두 협업은 최고 대중에 대한 최신 결과를 보고합니다.

 

CDF(Fermilab의 충돌기 감지기)D0(가속기 링에서의 위치)로 알려진 두 개의 대규모 협력은 BataviaFermi National Accelerator Laboratory(Fermilab)에서 양성자와 반양성자의 1800 GeV 충돌에서 나온 파편을 감지했습니다. 일리노이 19954, 팀은 동시에 최고 발견 [1] 을 발표했습니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴예상보다 훨씬 크고 197개의 양성자와 중성자를 포함하는 금 핵의 질량과 비슷합니다. 꼭대기는 또한 쿼크 중에서 수명이 가장 짧습니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴초-그리고 자유 입자로 붕괴하며, 그렇게 하는 유일한 쿼크입니다. 그러한 충돌로 생성된 다른 모든 쿼크는 진공에서 더 많은 쿼크를 끌어내고 많은 입자로 구성된 복잡한 "제트"를 만들 수 있을 만큼 충분히 오래 산다. 상부의 독립성 덕분에 Fermilab 팀은 다른 쿼크의 질량보다 훨씬 더 정밀하게 질량을 결정할 수 있었습니다.

 

양성자--양성자 충돌 에너지가 상부--위 쌍을 생성하는 경우, 각각의 쿼크는 즉시 W 보손과 하부(또는 반-하부) 쿼크로 붕괴됩니다. 최상위 이벤트는 두 W의 붕괴에 따라 분류됩니다. (1) "전체 강입자" 모드는 각 W가 한 쌍의 쿼크 제트로 붕괴할 때 발생합니다. 이것은 가장 일반적인 모드이지만 상위 모방 이벤트와 분리하기 가장 까다롭습니다. (2) W가 렙톤(전자, 뮤온 또는 타우)과 중성미자로 붕괴하는 경우, "딜렙톤" 모드입니다. 식별하기 가장 깨끗하지만 가장 드문 모드입니다. (3) "렙톤 플러스 제트" 모드에서 하나의 W는 렙톤적으로 붕괴하고 다른 하나는 한 쌍의 쿼크 제트가 됩니다. 정밀한 최고 질량 측정을 위해 이것이 최적의 절충안입니다.

 

주로 렙톤 플러스 제트 모드를 기반으로 한 1995년 최고의 발견 간행물 이후, 두 그룹은 충돌기를 실행하는 또 다른 해와 함께 데이터 세트를 대략 두 배로 늘렸습니다. 각 붕괴 모드의 독립적인 데이터를 사용하여 별도의 질량 값을 계산할 수 있으며 팀은 이를 방법에 대한 중요한 교차 확인으로 간주합니다. 작년 8월에 D0[3] 렙톤 플러스 제트 모드를 기반으로 업데이트된 최고 질량 추정치를 발표했으며 CDF 9월에 [4] 모든 하드론 모드에 대한 분석을 발표했습니다. 새로운 PRL 논문에서 D0는 딜렙톤 모드에서 질량 추정치를 제공하고 CDF는 딜렙톤 값과 훨씬 더 정확한 렙톤 플러스 제트 모드에서 얻은 결과를 게시합니다. D0은 이제 최고 질량을 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴 CDF 값은 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴 두 그룹 모두 총 불확실성이 다음보다 작습니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴표준 모델의 가장 중요한 테스트와 아마도 그 너머에 무엇이 있는지에 대한 단서는 이론의 마지막으로 발견되지 않은 입자인 힉스 입자가 발견될 때 예상됩니다. 정확한 상단 질량은 이론가들이 힉스 질량을 제한하는 데 도움이 되어 향후 10년 동안 스위스 제네바에 있는 Fermilab 또는 CERNLarge Hadron Collider에서 탐지 가능성을 높일 것입니다. 불행히도 최신 최고 데이터조차도 힉스의 질량 불확실성을 실제로 매우 크게 남깁니다. 최고 질량의 절반 미만 또는 두 배 이상일 수 있습니다. 2000년에 시작되는 Fermilab에서 실행된 다음 충돌기는 지난번보다 20배 많은 탑 쿼크를 제공해야 하며 고에너지 물리학자들은 이것이 강력한 힉스를 탐지에 더 가깝게 만들 수 있기를 희망합니다.

 

 

 

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