[논문 리뷰] Brownian dynamics of optically trapped liquid aerosols

Daniel R. Burnham, Peter J. Reece외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 27.

Particle Dynamics in Fluid Flows인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 파wer 스펙트럼 분석을 사용하여 광학 트랩에 갇힌 액체 에어로졸 방울의 브라운 운동을 연구하며, 임계 감쇠 근처에서 단순한 조화 진동자 모델에 Faxen 보정을 적용할 경우 정확하게 운동을 기술할 수 있음을 보여준다. 주요 발견은 낮은 점도와 높은 트랩 강성 덕분에 과감쇠 및 과감쇠 상태 간의 전환이 쉽게 이루어질 수 있으며, 광학력의 한계로 인해 상부 안정성 경계의 탐색이 제한된다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 액체 에어로졸 방울이 마이크로초 단위 시간 척도에서 광학 트랩에 갇힐 때의 브라운 운동을 이해하는 것.
• 낮은 점성도 매질에서 관찰되지 않는 관성의 부재로 인해 일반적인 콜로이드 트랩 실험에서 관찰되지 않는 이상한 행동을 해결하는 것.
• 표준 유체역학 모델, 특히 Faxen 보정을 포함한 모델이 시스템을 충분히 기술하는지 확인하는 것.
• 트랩 강성과 감쇠를 조절하여 과감쇠 및 과감쇠 상태 간의 전이를 연구하는 것.
• 광학력의 제약에도 불구하고 과감쇠 조건에서 안정적인 에어로졸 트랩이 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 브라운 운동을 분석하기 위해 파워 스펙트럼 분석을 사용한다.
• 유체역학적 저항을 고려한 Faxen 보정을 포함한 단순한 조화 진동자 모델을 적용한다.
• 감쇠 행동 평가를 위해 임계 감쇠 상태 근처에서 시스템을 분석한다.
• 트랩 강성과 감쇠를 변화시켜 과감쇠 및 과감쇠 운동 간의 전이를 탐색하기 위한 파rameter 연구를 수행한다.
• Stock스 법을 초월한 유체역학 보정을 평가하며, 주파수 의존성 보정이 필요하지 않다는 결과를 도출한다.
• 트랩 레이저 출력과 방울 크기와 같은 실험 변수를 조작하여 시스템 안정성의 경계를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 점성도와 관성의 부재로 인해 광학 트랩에 갇힌 액체 에어로졸의 브라운 운동은 일반적인 콜로이드 시스템과 어떻게 다를까?
• RQ2 Faxen 보정을 포함한 단순한 조화 진동자 모델이 갇힌 액체 에어로졸의 역학을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ3 트랩 강성 또는 감쇠를 조절함으로써 실험적으로 과감쇠 및 과감쇠 상태 간의 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ4 관측된 행동을 모델링하기 위해 Stokes 법에 주파수 의존성 유체역학 보정이 필요한가?
• RQ5 에어로졸 트랩의 상부 안정성 경계는 무엇으로 제한되며, 광학력의 제약에도 불구하고 안정적인 과감쇠 운동을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 주파수 의존성 유체역학 보정이 필요로 하지 않으며, Faxen 보정을 포함한 단순한 조화 진동자 모델이 시스템을 잘 기술한다.
• 낮은 동적 점성도와 높은 트랩 강성 덕분에 실험적 변수 조절로 과감쇠 및 과감쇠 운동 간의 전환이 쉽게 가능하다.
• 과감쇠 조건에서 안정적인 에어로졸 트랩이 가능하며, 이는 새로운 동적 연구의 가능성을 시사한다.
• 높은 트랩 레이저 출력에서의 광학력은 과감쇠 운동이 이론적으로 가능하더라도 상부 안정성 한계를 탐색하는 것을 방해한다.
• 시스템의 거동는 매개변수 간의 결합에 민감하여, 트랩 강성과 감쇠의 기여도를 관찰된 운동에서 분리하기 어렵다.