[論文レビュー] Brownian dynamics of optically trapped liquid aerosols

Daniel R. Burnham, Peter J. Reece+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2009

Particle Dynamics in Fluid Flows被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、パワースペクトル解析を用いて、光学的トラップ下の液体エアロゾルドロップレットのブラウン運動を調査し、臨界減衰近辺の運動を、ファクセン補正を含む単純な調和振動子モデルが正確に記述できることを示している。主な発見は、低粘度および高トラップ剛性により、過減衰と未減衰の間の遷移が容易に可能になるが、光学的力の制限により上部安定性境界の探索が制限されることである。

ABSTRACT

When studying the motion of optically trapped particles on the $\mu s$ time scale, in low viscous media such as air, inertia cannot be neglected. Resolution of unusual and interesting behaviour not seen in colloidal trapping experiments is possible. In attempt to explain the phenomena we use power spectral methods to perform a parameter study of the Brownian motion of optically trapped liquid aerosol droplets concentrated around the critically damped regime. We present evidence that the system is suitably described by a simple harmonic oscillator model which must include a description of Faxen's correction, but not necessarily frequency dependent hydrodynamic corrections to Stokes' law. We also provide results describing how the system behaves under several variables and discuss the difficulty in decoupling the parameters responsible for the observed behaviour. We show that due to the relatively low dynamic viscosity and high trap stiffness it is easy to transfer between over- and under-damped motion by experimentally altering either trap stiffness or damping. Our results suggest stable aerosol trapping may be achieved in under-damped conditions, but the onset of deleterious optical forces at high trapping powers prevents the probing of the upper stability limits due to Brownian motion.

研究の動機と目的

• 液体エアロゾルドロップレットが微小時間スケール（マイクロ秒スケール）で光学的トラップに捕らえられた際のブラウン運動を理解すること。
• 低粘度媒体における慣性が無視できるため、通常のコロイドトラッキング実験では観察されない異常な挙動を解明すること。
• 標準的な流体力学的モデル、特にファクセン補正を含むものがあらゆる状況で適切にシステムを記述できるかどうかを検証すること。
• トラップ剛性と減衰を調整することで、過減衰状態と未減衰状態の間の遷移を調査すること。
• 光学的力の制限があるにもかかわらず、未減衰状態における安定なエアロゾルトラッピングが可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 光学的トラップ下の液体エアロゾルドロップレットのブラウン運動を、パワースペクトル解析を用いて分析する。
• 単純な調和振動子モデルを適用し、流体力学的抵抗に対してファクセン補正を組み込む。
• 減衰の挙動を評価するために、臨界減衰近辺のシステムを分析する。
• パラメータスタディとして、トラップ剛性と減衰を変化させ、過減衰と未減衰の運動の間の遷移を探索する。
• ストークスの法則を超える流体力学的補正を評価し、周波数依存の補正は不要であることが判明した。
• トラッピングパワーとドロップレットサイズなどの実験的変数を操作し、システムの安定性を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低粘度および慣性が無視できるため、光学的トラップ下の液体エアロゾルのブラウン運動は、通常のコロイド系とはどのように異なるか？
• RQ2 ファクセン補正を含む単純な調和振動子モデルは、トラップされた液体エアロゾルの力学的挙動をどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 トラップ剛性や減衰を調整することで、実験的に過減衰状態と未減衰状態の間を遷移させることができるか？
• RQ4 観察された挙動をモデル化するにあたり、ストークスの法則に対する周波数依存の流体力学的補正は必要か？
• RQ5 エアロゾルトラッピングの上部安定性境界は、何によって制限されており、光学的力の制限があるにもかかわらず、安定した未減衰運動を達成できるか？

主な発見

• 周波数依存の流体力学的補正は不要であり、ファクセン補正を含む単純な調和振動子モデルがシステムを良好に記述できる。
• 低動的粘度と高トラップ剛性のため、実験パラメータを調整するだけで、過減衰と未減衰の間の遷移が容易に実現可能である。
• 未減衰状態における安定なエアロゾルトラッピングが可能であるため、新たな動的挙動の研究が期待できる。
• 高トラッピングパワーにおける光学的力の制限により、未減衰状態が理論的に可能であっても、上部安定性限界の探索は不可能である。
• システムの挙動はパラメータの結合に敏感であり、トラップ剛性と減衰の寄与を観測された力学的挙動から分離することが難しい。