【素粒子物理学】成層流体中で自己集合微粒子の凝集のための第一原理メカニズム
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誤って計算されたFluids Labのデモンストレーションは、粒子が湖や海にどのように蓄積するかについての新しい理解につながります。不幸中のサイワヒ
ノースカロライナ大学チャペルヒル校およびブラウン大学の数学者チームは、密度層状流体に浸された粒子を移動および結合できる流体力を生成する新しい現象を発見しました。このブレークスルーは、粒子が湖や海洋にどのように蓄積するかについての以前からの仮定に代わるものを提供し、生物学的ホットスポットの特定、環境の浄化、さらには選別と梱包のアプリケーションにつながります。
湖や海洋などの流体システムで重力下で物質がどのように落ち着いて凝集するかは、科学的研究の広く重要な分野であり、人類と地球に大きな影響を与えます。「海洋雪」、つまり、上層部から深海へと絶えず降り注ぐ有機物のシャワーを考えてください。栄養豊富な海の雪は、グローバルな食物連鎖に不可欠であるだけでなく、その深い塩分への蓄積は、地球最大の炭素吸収源であり、地球の炭素循環の最も理解されていない要素の1つです。また、海洋循環系で渦巻くマイクロプラスチックに対する懸念が高まっています。
海洋粒子の蓄積は、偶然の衝突と付着の結果として長く理解されてきました。しかし、完全に異なると予想外の現象がによると、水柱で働いている今日発表された論文で（2019年12月20日）ネイチャー・コミュニケーションズ教授リチャード・マクラフリンと学際応用数学のためカロライナセンターのロベルトCamassa率いるチームによってUNCチャペルヒルの大学院生であるブラウン大学の工学部のロバートハントとダンハリスと共に、芸術科学大学。
この論文では、さまざまな塩分層の海水など、密度の異なる流体に浮遊する粒子が、これまでに発見されていない2つの挙動を示すことを実証しています。第一に、粒子は静電的または磁気的引力なしで、または微生物の場合は鞭毛や繊毛のような推進装置なしで自己集合します。第二に、接着剤または他の結合力を必要とせずに、それらは一緒に凝集します。クラスターが大きいほど、引力が強くなります。
非常に多くの発見のように、これは数年前に偶然に始まりました。カマッサとマクラフリンが運営する数学と海洋科学の共同流体研究所を訪れたVIPのデモ中に。長い層状流体に魅了されたこのペアは、お気に入りのパーラートリックを示すことを目的としています。塩水タンクに放り込まれた球体は、流体が密度によって均一に層状化される限り、どのように底に「跳ね返る」のでしょうか。しかし、実験を担当する大学院生は、低流体の密度の設定に誤りを犯しました。球体は跳ね返り、そこにぶら下がって水没しましたが、底に沈みませんでした。
「そして、私は良い決断をした」とマクラフリンは言った、「混乱を片付けないように」。家に帰って、彼は大学院生に言った。後で対処します。翌朝、ボールはまだ中断されていましたが、明確な理由もなく自己集合するために、それらは一緒に集まってきました。
研究者は最終的にその理由を発見しましたが、2年以上のベンチマーク実験研究と多くの数学が必要でした。
この現象は、研究者が制作したビデオで見ることができます。密度の低い淡水をトッピングした塩水の容器に落としたプラスチック製のマイクロビーズは、重力によって引き下げられ、浮力によって上に押し上げられます。それらが吊り下げられたままになると、浮力と拡散の相互作用-塩の濃度勾配を相殺するように作用-がマイクロビーズの周りに流れを作り出し、マイクロビーズをゆっくりと動かします。ただし、ランダムに移動するのではなく、一緒に集まって、独自のジグソーパズルのようなパズルを解きます。クラスターが成長するにつれて、流体力が増加します。
google翻訳一部割愛
https://scitechdaily.com/how-an-accident-led-to-discovering-a-new-fundamental-underwater-force/
https://scitechdaily.com/images/Bubbles-1536x1024.jpg
https://youtu.be/JFUtf1PDV9M ノースカロライナか
渦巻きのやつだな
インレーがとれる マイクロプラスチックが溜まってる場所を特定し一気に回収できる可能性とマクラフリン博士 >>4
だって落とした鍵が見つかるとしたら電灯の下だけでしょ？ >>1
そうやってそうやってむつかしそうなスレ立てて頭イイ人みたく思われたいんでしょ！ つまりいつまでも美味しい豚骨スープができるってことだな！ 水面の粉体も似たような挙動するよね
なんでこんな動きをするんだろうな なんだかよく分からなかったけど、不幸中のサイワヒって事は解った >>1
これは酷い
第一外国語がフランス語で英語不得意自任する俺でさえ、
英語をそのまま貼って貰った方が遥かに意味が分かり易いわ >>1
How an Accident Led to Discovering a New Fundamental Underwater Force
By UNIVERSITY OF NORTH CAROLINA AT CHAPEL HILL DECEMBER 20, 2019
A miscalculated Fluids Lab demonstration leads to a new understanding of how particles accumulate in lakes and oceans.
A team of mathematicians from the University of North Carolina at Chapel Hill and Brown University has discovered a new phenomenon that generates a fluidic force capable of moving and binding particles immersed in density-layered fluids.
The breakthrough offers an alternative to previously held assumptions about how particles accumulate in lakes and oceans and could lead to applications in locating biological hotspots, cleaning up the environment and even in sorting and packing.
How matter settles and aggregates under gravitation in fluid systems, such as lakes and oceans, is a broad and important area of scientific study, one that greatly impacts humanity and the planet.
Consider “marine snow,” the shower of organic matter constantly falling from upper waters to the deep ocean. Not only is nutrient-rich marine snow essential to the global food chain, but its accumulations in the briny deep represent the Earth’s largest carbon sink and one of the least-understood components of the planet’s carbon cycle.
There is also the growing concern over microplastics swirling in ocean gyres.
Ocean particle accumulation has long been understood as the result of chance collisions and adhesion.
But an entirely different and unexpected phenomenon is at work in the water column, according to a paper published today (December 20, 2019) in Nature Communications by a team led by professors Richard McLaughlin and Roberto Camassa of the Carolina Center for Interdisciplinary Applied Mathematics in the College of Arts & Sciences,
along with their UNC-Chapel Hill graduate student Robert Hunt and Dan Harris of the School of Engineering at Brown University.
In the paper, the researchers demonstrate that particles suspended in fluids of different densities, such as seawater of varying layers of salinity, exhibit two previously undiscovered behaviors.
First, the particles self-assemble without electrostatic or magnetic attraction or, in the case of micro-organisms, without propulsion devices such as beating flagella or cilia. Second, they clump together without any need for adhesive or other bonding forces. The larger the cluster, the stronger the attractive force.
Like so many discoveries, this one began accidentally, a couple years ago, during a demonstration for VIPs visiting the Joint Applied Mathematics and Marine Sciences Fluids Lab that Camassa and McLaughlin run.
The pair, long fascinated with stratified fluids, intended to show a favorite parlor trick — how spheres dumped into a tank of salt water will “bounce” on their way to the bottom, as long as the fluid is uniformly stratified by density.
But the graduate student in charge of the experiment made an error in setting up the density of the lower fluid. The spheres bounced and then hung there, submerged but not sinking to the bottom. >>1
“And then I made what was a good decision,” said McLaughlin, “to not clean up the mess.” Go home, he told the grad student. We’ll, deal with it later. The next morning, the balls were still suspended, but they had begun to cluster together — to self-assemble for no apparent reason.
The researchers eventually discovered the reason, though it took more than two years of benchmark experimental studies and lots of math.
You can see the phenomenon at work in a video the researchers produced. Plastic microbeads dropped into a container of salt water topped with less dense fresh water are pulled down by the force of gravity and thrust upward by buoyancy.
As they hang suspended, the interplay between buoyancy and diffusion — acting to balance out the concentration gradient of salt — creates flows around the microbeads, causing them to slowly move. Rather than moving randomly, however, they clump together, solving their own jigsaw-like puzzles. As the clusters grow, the fluid force increases.
“It’s almost like we discovered an effective new force,” Camassa said.
The discovery of this previously unknown first-principle mechanism opens the doors of understanding for how matter organizes in the environment.
In highly stratified bodies of water, such as estuaries and the deep ocean, being able to mathematically understand the phenomenon may allow scientists to model and predict the location of biological hotspots, including feeding grounds for commercial fish or endangered species.
Harnessing the power of the phenomenon might also lead to better ways to locate ocean microplastics or even petroleum from deep-sea oil spills. Or, in an industrial-sized version of the Fluids Lab experiment, the mechanism might be used to sort materials of different densities, for example different colors of crushed recyclable glass.
“We’ve been working for years with stratified systems, typically looking at how stuff falls through them,” McLaughlin said. “This is one of the most exciting things I’ve encountered in my career.”
Reference: “A first-principle mechanism for particulate aggregation and self-assembly in stratified fluids” by Roberto Camassa, Daniel M. Harris, Robert Hunt, Zeliha Kilic and Richard M. McLaughlin, 20 December 2019, Nature Communications. ■ このスレッドは過去ログ倉庫に格納されています
