Team løser gammelt mysterium, baner vej mod fremskridt inden for medicin, industri, Miljøvidenskab

En professor i miljøteknik ved Oregon State University har løst et årtier gammelt mysterium om væskes adfærd, et studieretning med udbredt medicinsk, industrielle og miljømæssige anvendelser.

Undersøgelsen af ​​Brian D. Wood, offentliggjort i Journal of Fluid Mechanics , rydder en vejspærring, der har forvirret videnskabelige sind i næsten 70 år og baner vejen til et klarere billede af, hvordan kemikalier blandes i væsker.

En mere fuldstændig forståelse af dette grundlæggende princip danner grundlag for fremskridt inden for en række områder - lige fra hvordan forurenende stoffer spredes i atmosfæren til hvordan lægemidler perfunderer væv i menneskekroppen.

Finansieret af National Science Foundation, Woods arbejde med dispersionsteori bygger på forskning foretaget af en af ​​de mest dygtige forskere i Oregon State History, Octave Levenspiel. En kemiteknisk ph.d. fra 1952 kandidat og senere et mangeårigt fakultetsmedlem, Levenspiel i 1957 offentliggjorde et vigtigt papir om spredning i kemiske reaktorer på vej til at blive kollegiets første tilskyndelse til National Academy of Engineering.

Endnu vigtigere, Woods forskning bygger en langvarig kløft i en af ​​væskemekanikkens grundprincipper:Taylor -spredningsteori. Opkaldt efter den britiske fysiker og matematiker G.I. Taylor, forfatter til et seminal 1953 -papir, teorien vedrører fænomener, hvor udsving i en væskes hastighedsområder får kemikalier til at sprede sig inden i den.

"Processen med spredt spredning har en tendens til at stige over tid, indtil den når et stabilt niveau, "Sagde Wood." Du kan betragte det som analogt med investering i en opstart, hvor afkastrenterne i første omgang kan være meget store, før de sætter sig på et mere bæredygtigt niveau, der er tæt på konstant. "

Taylors teori var den første, der tillod forskere at forudsige det stabile spredningsniveau ved hjælp af det, der kaldes den makroskopiske dispersionsligning. Ligningen kan beskrive nettobevægelsen af ​​en kemisk art i en væske - forudsat at der er gået nok tid, fra kemikaliet kom ind i væsken.

"Det var en væsentlig åbenbaring på det tidspunkt, "Wood sagde." Det var på niveau med, hvad forskere teoretisk gjorde inden for andre discipliner, som kvantemekanik. "

Mens Taylors teori var vellykket og revolutionerende, forskere kæmpede stadig med problemet med, hvordan spredende spredning udvikler sig fra dens dynamik, tidlig adfærd - hvad der betegnes som dens oprindelige tilstand - til når den opnår den mere konstante værdi, som Taylor forudsiger.

Forskere fandt en vis succes ved at tilføje ligningen en tidsafhængig dispersionskoefficient, men koefficienten skabte sine egne problemer, den primære er paradokser.

"For eksempel, hvis kemiske opløste stoffer injiceres i en væske ved to forskellige overlapninger, hvilken tid tildeler du dispersionskoncentrationen? "sagde Wood." Taylor forstod det selv, hvor en tidsafhængig dispersionskoefficient blev vedtaget, nutidige teorier krænkede grundlæggende forestillinger om kausalitet i fysik. "

Træ og samarbejdspartnere brugte en anden kanon, teorien om delvise forskellige ligninger, for at vise, at problemer med den tidsafhængige dispersionskoefficient opstod ved at negligere opløsningen af ​​det opløste stof-kemikaliet injiceret i væsken, eller løsning - fra dens oprindelige tilstand.

"Når kemiske arter injiceres første gang, deres adfærd ikke nødvendigvis er i overensstemmelse med en ligning af dispersionstypen, "Wood forklaret." Snarere, den oprindelige tilstand skal først 'slappe af'. I løbet af denne tid, der er et yderligere udtryk at tage højde for, som manglede i Taylors makroskala -spredningsligning. "

I en ligning, et udtryk refererer til et enkelt tal eller en variabel, eller tal og variabler ganget sammen.

Udtrykket Wood added korrigerer dispersionsligningen for at tage højde for den indledende konfiguration af de kemiske arter, der bevæger sig rundt i væsken. Noget overraskende, Wood sagde, teorien løser også paradokser i andre teorier med tidsafhængige dispersionskoefficienter.

"I den nye teori, der er aldrig et spørgsmål om, hvilken dispersionskoefficient der skal bruges, når kemiske opløste stoffer overlapper hinanden, "sagde han." Tilpasningen til spredningsprocessen tegnes automatisk for tilstedeværelsen af ​​den ekstra term. "