[论文解读] 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 1

一句话总结

本文通过功率谱分析研究了光阱中液态气溶胶液滴的布朗运动，表明在临界阻尼附近，带有法森修正的简谐振子模型能准确描述其运动。关键发现是，低粘度和高阱刚度使得系统可轻松在过阻尼与欠阻尼状态间转换，尽管光致力限制了对上稳定边界区域的探索。

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.

研究动机与目标

• 理解微秒时间尺度下光阱中液态气溶胶液滴的布朗运动。
• 解析在低粘度介质中因惯性可忽略而出现的异常行为，这些行为在典型胶体捕获实验中未被观测到。
• 确定标准流体动力学模型（包括法森修正）是否能充分描述该系统。
• 通过调节阱刚度和阻尼，研究过阻尼与欠阻尼状态之间的转换。
• 评估在光致力限制下，尽管存在挑战，稳定捕获气溶胶在欠阻尼条件下是否可行。

提出的方法

• 采用功率谱分析研究光阱中液态气溶胶液滴的布朗运动。
• 应用简谐振子模型，并引入法森修正以考虑流体阻力。
• 围绕临界阻尼区域分析系统，以评估阻尼行为。
• 通过参数研究改变阱刚度和阻尼，探索过阻尼与欠阻尼运动之间的转换。
• 评估超出斯托克斯定律的流体动力学修正，结果表明频率相关的修正并非必要。
• 调节实验变量（如捕获功率和液滴尺寸）以探测系统的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于低粘度和可忽略的惯性，光阱中液态气溶胶的布朗运动与典型胶体系统相比有何不同？
• RQ2 带有法森修正的简谐振子模型在多大程度上能准确描述被捕获液态气溶胶的动力学？
• RQ3 通过调节阱刚度或阻尼，能否在实验中实现系统在过阻尼与欠阻尼状态之间的转换？
• RQ4 为模拟观测到的行为，是否需要对斯托克斯定律引入频率相关的流体动力学修正？
• RQ5 气溶胶捕获的上稳定边界受何限制？尽管存在光致力，是否仍可实现稳定的欠阻尼运动？

主要发现

• 系统可由包含法森修正的简谐振子模型良好描述，但无需频率相关的流体动力学修正。
• 由于动态粘度低且阱刚度高，通过调节实验参数可轻松实现过阻尼与欠阻尼运动之间的转换。
• 在欠阻尼条件下实现稳定气溶胶捕获是可行的，表明其在新型动态研究中具有潜力。
• 在高捕获功率下，光致力会阻止对上稳定边界极限的探测，即使欠阻尼运动在理论上是可能的。
• 系统行为对参数耦合敏感，使得难以将阱刚度与阻尼对观测动力学的贡献独立分离。