复杂流体中颗粒布朗运动的实验研究

摘要

布朗运动现象广泛存在于自然界和工业领域，并应用于能源、生物、化工、医学、环境等行业。随着微纳技术的发展，对微纳米颗粒运动的研究变得十分重要。本文采用单颗粒追踪（SPT）技术针对亚微米颗粒在复杂流体中的布朗运动规律进行了可视化实验研究，主要开展了以下三方面的工作：
　　作为实验的准备阶段，首先利用SPT技术对0.2~2μm等五种不同粒径的荧光颗粒在纯水中的布朗运动进行了测量。使用波长为532nm的连续激光器、电子倍增CCD（EMCCD）相机以及放大倍率为63倍的显微物镜采集荧光颗粒图像。采用ImageJ软件对原始图像进行处理，借助于颗粒追踪分析软件Video Spot Tracker获得相邻两帧图像中荧光颗粒的单步位移，计算一定时间内颗粒的均方位移，从而获得扩散系数的实验解，并与采用 Stokes-Einstein公式计算的无界区域单个颗粒理论扩散系数进行了比对。结果表明，亚微米颗粒单步位移概率密度分布服从高斯分布；扩散系数实验解与理论解偏差在10％以内，实验值略小。实验结果正确反映了颗粒在简单流体中的扩散特性。
　　在对颗粒在水中布朗运动准确测量的基础上，开展了复杂流体中颗粒布朗运动的实验研究。选择洗洁精和甘油两种有机溶剂和水进行配比制备复杂流体介质，浓度配比分别为5:100~20:100及5:100~100:100。采用SPT技术，针对粒径为0.2μm和0.52μm两种亚微米荧光颗粒进行实验，分别获得了颗粒布朗运动的单步位移测量结果。统计分析表明，亚微米颗粒在两种复杂流体介质中的单步位移概率密度分布仍然服从高斯分布，与水中的实测结果一致。而与水中扩散规律不同的是，颗粒在两种介质中的布朗运动均方位移均与时间呈幂函数关系，即＜r(t)2＞∝ta，扩散系数具有∝ta-1的幂函数规律，属于典型的分数扩散。由于乘幂系数?满足1　　为进一步获得颗粒布朗运动随机过程的统计特征，对纯水、洗洁精以及甘油溶液中颗粒追踪轨迹进行了遍历性破缺分析。结果显示，颗粒在三种液体布朗扩散过程的遍历性破缺参数都处在同一个数量级，分布范围为0.1≤E≤0.8（E为遍历性破缺参数）。该结果表明，虽然两种有机溶液具有超扩散特征，但扩散随机过程的统计特征与正常扩散基本一致。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的工作内容

1.4 论文研究的创新点

2 实验技术与方法

2.1 颗粒追踪法

2.2 颗粒追踪法的软件系统

2.3其它布朗运动测量技术介绍

2.4 本章小结

3 无界纯水中微米/亚微米颗粒的布朗运动测量

3.1 实验准备

3.2 布朗颗粒追踪实验

3.3 扩散系数

3.4本章小结

4 复杂流体中颗粒的布朗运动测量

4.1 分数布朗运动概述

4.2 实验材料的选择

4.3 颗粒在洗洁精水溶液中的布朗运动

4.4 颗粒在甘油水溶液中的布朗运动

4.5 本章小结

5 布朗运动过程的遍历性分析

5.1 遍历性的数学描述

5.2 实验结果的遍历性分析

5.3 本章小结

6 结论和展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

作者简历