腔增强拉曼技术下的过饱和硫酸镁液滴蒸发动力学初探(英文)

本文通过单光束梯度力光学镊子-拉曼光谱系统,对硫酸镁单液滴随着相对湿度变化的反应进行了探究。当硫酸镁单液滴被光镊捕获之后,通过相对湿度的梯度变化探究了捕获液滴的蒸发动力学变化。发生在与耳语回音模相称波长的受激拉曼散射可以用来准确地确定液滴半径,因此,可以通过腔增强拉曼散射得到在不同湿度下处于平衡的液滴半径信息。本研究通过光镊对硫酸镁单液滴的实时监测,阐述了在某个相对湿度范围内该液滴的粒径变化的过程和结果,在此之前的硫酸镁吸湿性研究中没有先例。研究结果表明在相对湿度逐渐降低至40%的过程中硫酸镁液滴半径的变化速率逐渐变小。而当相对湿度低于40%时,液滴半径的减小会被严重抑制。这种现象表示在高浓度条件下硫酸镁液滴中水的蒸发扩散速率会降低。另一方面,在蒸发过程后的相对湿度上升过程中,硫酸镁液滴尺寸的增加明显缓慢于湿度增长速度。这一现象显示液滴的尺寸变化是不可逆的。说明胶态的形成导致了传质受阻,从而阻碍了液滴中水分子的交换。     

利用光镊-腔增强拉曼技术探究蔗糖/丙二酸混合体系的挥发性

采用光镊-腔增强拉曼光谱技术研究蔗糖/丙二酸/水三元体系的气溶胶液滴半径和折射率随湿度的变化情况。利用Maxwell气相扩散方程计算不同湿度下混合体系中丙二酸的饱和蒸汽压,发现当湿度由66.2%降到13.8%时,丙二酸的蒸汽压由2.86×10-4 Pa降到7.08×10-6 Pa。与文献中报道的纯丙二酸的饱和蒸汽压(3.2×10-4~3.19×10-3 Pa)相比,在较低湿度下三元体系中丙二酸的饱和蒸汽压下降了两个数量级。实验结果表明蔗糖的加入增加了体系的粘度,抑制了丙二酸的挥发。     

丁二酸钠和硫酸铵混合气溶胶的光镊受激拉曼光谱研究

采用光镊悬浮技术捕获颗粒尺寸3～8μm的丁二酸钠/硫酸铵混合气溶胶液滴,控制湿度条件、温度条件,通过调节不同相对湿度(RH)并采集氢-氧振动带的受激拉曼峰位信息,利用非弹性米氏散射理论计算实时液滴半径尺寸。计算结果表明,当液滴尺寸响应完湿度的变化后在RH恒定时,液滴半径仍持续减小,这说明丁二酸钠和硫酸铵之间发生了反应,释放出氨气使得液滴半径减小。     

多光阱光镊技术对多个液滴捕获和悬浮控制

光镊技术捕获单个液滴并进行受激拉曼测量,在气溶胶动力学过程的研究方面取得了很大进展。然而,对于大气颗粒物之间通过碰撞完成由外混到内混的转变过程的定量分析,需要实现多种液滴同时捕获、操纵、碰并过程的精密观测。本文报道利用多光阱光镊技术对多液滴进行抓获,从而实现液滴之间的碰并复合过程的观测。为了实现多液滴的抓取,我们在单光镊技术的基础上,引进了声光偏转系统(AOD),这是多光阱光镊的核心技术。可以有效的将单光阱转化为多光阱,从而根据需要抓取一定数量的液滴,同时为后期的多液滴光谱测试奠定了基础。     

流体饱和蒸气压实验中杂质影响的修正

实验样品杂质对于高精度流体热物性实验有显著影响。本文以新环保工质1-氯-3,3,3-三氟丙烯[HCFO-1233zd(E)]的饱和蒸气压实验为例,细致讨论了样品纯化方法;通过气相色谱-质谱联用确定了杂质种类,以理想溶液模型为基础发展了饱和蒸气压杂质影响修正的计算方法,讨论了主要杂质种类对修正量的影响。提出了一种在杂质种类不能完全确定的情况下,合理确定饱和蒸气压杂质影响的方法。修正后的实验数据与已有的高精度饱和蒸气压实验数据具有较高的一致性。     

基于LP01和LP11模式共存的单光纤光镊实现生物细胞多路捕获和操纵

提出了一种用于生物细胞多路捕获与操纵的单光纤光镊。基于两种不同模式的光纤错位拼接，实现了LP₀₁和LP₁₁模式共存。该光镊的输出光场具有多个聚焦光斑，能够在多个支路上同时捕获和操纵多个生物细胞。仿真和实验结果表明，该光镊能够在三个支路上同时捕获和操纵多个小球藻细胞，在光镊移动速度约为14μm/s时仍能保持捕获稳定。该光镊结构简单，为生物传感和直接检测生物信号提供了更多可能。     

近壁区分子团聚现象的原位红外观测

对于饱和蒸气壁面凝结过程,蒸气分子在体相与过冷壁面间过渡区的微观演化机制尚不清晰,分子团聚模型认为分子到达壁面凝结前首先在体相中形成一定团簇分布,但由于观测近壁边界层微小空间中微观粒子的动态演化较为困难,对该模型的实验验证并不充分.基于团簇内部的氢键网络,利用衰减全反射傅里叶红外光谱技术,实时检测了近壁薄层内蒸气分子凝结过程中的动态行为,直接验证了近壁区的团簇分布,表明团簇是凝结和液滴生长的主要单元,且平均团簇尺寸沿着靠近壁面方向逐渐增大.利用团簇体的氢键特征,又观测了乙醇蒸气的近壁面团聚行为,进一步验证了壁面凝结过程团簇演化的合理性.此外,实验发现乙醇蒸气冷凝的团簇分布空间范围要小于同样条件下的水团簇分布范围,这可能间接表明乙醇蒸气凝结的传热边界层范围小于水蒸气凝结的传热边界层范围,而导致其传热性能较弱.利用壁面结构调节近壁区团簇分布,将为含有不凝气的蒸气冷凝传热或气相水汽捕获等过程的强化提供新方向.     

饱和蒸气压与液面形状的关系

指出了某些教材中关于饱和蒸气压与液面形状关系的微观解释的缺陷，并从能量的观点解释了饱和蒸气压与液面形状的关系。     

液滴蒸发对周围气相场的影响域特性分析

液滴在气体中运动蒸发的过程中,两相间会发生相互作用。为了弄清液滴对气相场的影响,基于液滴在气体环境中蒸发过程的现象和机理解释,提出液滴蒸发的影响域的概念,定义了影响域半径,并通过数值计算分析了不同条件下的影响域特性。结果表明,影响域内,由于液滴的存在使得其周围气相场参数变化较为剧烈;其他条件相同时,无量纲影响域半径几乎是一个定值。提出的影响域概念,对于研究气液两相间的相互作用机制具有重要意义。     

毛细管公式和弯曲液面上方饱和蒸气压公式

本文利用压强遵循玻耳兹曼分布律，导出毛细管公式和弯曲液面上方饱和蒸气压公式，并指出某些热学书中的毛细管公式和弯曲液面上方饱和蒸气压公式只适用于蒸气（或气体）密度远小于液体密度的情况．     

HFC-143a和HFC-236fa饱和蒸气压的实验研究

改进了Burnett法PVTx性质实验台,温度和压力测量的最大不确定度分别为±10 mK和±400 Pa。精确测量了50组HFC-143a的饱和蒸气压实验数据,提出了一个5项的HFC-143a饱和蒸气压方程,适用于161.34 K到临界温度。与文献数据比较表明,改进后的实验台精度令人满意。测量了77组HFC-236fa的饱和蒸气压实验数据,温度范围为253-396 K,压力范围为44-3064 kPa。根据本文实验结果,拟合得到了一个Wagner型饱和蒸气压方程,与文献数据进行了比较,计算得到了HFC-236fa的正常沸点和偏心因子值。     

光镊技术研究低湿度下MgSO_4气溶胶的传质受阻过程

MgSO_4气溶胶在相对湿度(RH)40%以下会形成胶态结构,从而出现传质受阻。本研究采用光镊悬浮技术捕获颗粒尺寸3～8μm的MgSO_4气溶胶液滴来研究低湿度下不同停留时间对MgSO_4液滴扩散系数的影响。结果表明,不同停留时间后的溶胀过程,均分两段过程进行拟合,第一段的扩散系数比第二段的扩散系数大,且每段的扩散系数随停留时间的增大而减小。     

人工影响降水的物理原理

我国旱涝灾害频繁,每年经济损失巨大,年年又防汛又抗旱,因此人工影响降水意义重大,本文结合物理教学,阐述人工影响降水的物理原理． 一、云的形成 云是漂浮在空中的小水滴、冰晶或者它们的混合物．由于大气压强随高度增加而降低,因此当地面暖湿空气上升时会发生绝热膨胀而冷却．又由于液体饱和蒸气压随温度的降低而降低,某温度下空气相对湿度等于空气中实际水蒸气分压强与该温度下饱和蒸气压的百分比,因此暖湿空气上升、绝热膨胀而冷却后相对湿度增加．另外,饱和蒸气压的大小还与液面形状有关,凸液面上方饱和蒸气压比平液面时大,…     

基于低损光学相变和超透镜的可控多阱光镊

为提升光镊在三维空间中对粒子的捕获性能,本文设计和分析了新型的双阱和多阱超透镜光镊方案.首先基于低损耗相变材料Sb₂S₃设计了可控超透镜双阱光镊,并对两个半径为250 mm的SiO₂粒子所受光力进行了矢量横向分析和轴向分析.仿真实验结果表明,当Sb₂S₃在晶态下时,超透镜捕获的两个粒子的横向光阱刚度k_x分别达到了约25.7 pN/(μm·W)和37.4 pN/(μm·W),轴向光阱刚度k_z均约为10.0 pN/(μm·W);而当Sb₂S₃在非晶态下时,k_x和k_z值均降低到其对应晶态下的1/10,且此时粒子在z方向上不能被稳定捕获,从而实现了在三维空间中对粒子的可控捕获.进一步本文给出了阵列式的可控多阱光镊.通过调控相变材料Sb₂S₃的晶态和非晶态,能形成不同组合粒子的三维捕获方案.这些新型可控光镊可实现多...     

利用光镊计算工具箱实现光镊系统的参量评价

光镊所捕获的微球尺度常常落在中间尺度上,导致相关参量难于计算.OTT1光镊工具箱是一种基于广义Lorenz-Mie理论的T-matrix方法,它的发展使得对光镊系统的详细计算和评价成为可能.本文对光镊的轴向捕获特性曲线、线性性和刚度,以及杜克系列微球的互换性做了计算和评价.结果表明:光镊所用物镜的数值孔径越接近水的折射...     

小型化可调光镊设计

光镊利用强会聚激光对微粒产生的梯度力来捕获微粒,可以进行无损、远程操控,同时具有皮牛精度的测力特性,已经成为物理学、生命科学和胶体化学等研究领域中不可缺少的研究工具。光镊效应可以表现微小的光子动量和角动量,是物理学的重要教学工具。本文根据高斯光束传播和变换规律,设计具有稳定捕获性能的最小化光镊,并给出了典型参数。光镊系统由捕获激光、光束耦合系统、倒置生物显微镜和大数值孔径物镜组成,成像系统由物镜、摄影目镜和CCD相机组成。本光镊系统具有紧凑特性,同时通过保持物镜后瞳充满度来实现稳定捕获。在该最小光镊系统上,可以根据用户需求增加光镊阱位操控系统、刚度调节系统和其他辅助设备以满足不同操控要求,可以很好地满足科研和教学需求。     

利用光镊计算工具箱实现光镊系统的参量评价

光镊所捕获的微球尺度常常落在中间尺度上,导致相关参量难于计算.OTT1光镊工具箱是一种基于广义Lorenz-Mie理论的T-matrix方法,它的发展使得对光镊系统的详细计算和评价成为可能.本文对光镊的轴向捕获特性曲线、线性性和刚度,以及杜克系列微球的互换性做了计算和评价.结果表明:光镊所用物镜的数值孔径越接近水的折射率捕获效果越好;0.8~1.2 μm的聚苯乙烯微球组成的光镊刚度较大;直径在2 μm以下的聚苯乙烯微球组成的光镊线性度较好;0.8~2 μm的Duke系列聚苯乙烯微球的互换性较好,便于纳米光镊的修正与实验;要避免米共振微球的直径要在2.5 μm以下.     

外压对饱和蒸气压的影响

讨论了外压对液体饱和蒸气压的影响,并利用毛细现象中力学平衡条件和等温气压公式对此作了推导.     

基于有限元仿真的硅基纳米光镊结构的设计

针对金属表面等离激元光镊热损耗问题,设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理,设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上,增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象,得到的电场增强倍数高达11.9倍,形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析,并在x、y、z方向上计算分析了直径为25nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.     

硅基纳米光镊结构的热分析和捕获特性

针对金属纳米光镊结构进行捕获时存在的光热效应问题,设计了一种硅基双纳米球的光镊结构。采用基于三维频域有限元的算法,对比分析了硅基双纳米球与金基双纳米球结构的增强场分布以及在对聚苯乙烯颗粒捕获势能相同条件下的热效应,发现硅基结构具有发热小、在高光场强度下捕获稳定性好的优点。对所设计的硅基双纳米球结构对聚苯乙烯颗粒的捕获特性进行模拟分析,在稳态场下研究了不同直径颗粒在不同位置受到的捕获力情况。研究结果表明,硅基纳米光镊结构在对微粒进行稳定捕获的同时可有效降低结构热效应带来的影响。