XIII Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 16 marzo 2016José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia

José Mª FernándezLaboratorio de Fluidodinámica MolecularInstituto de Estructura de la Materia, CSIC

XIII Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 16 marzo 2016José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia

Grupo de Fluidodinámica Molecular

Guzmán Tejeda

Salvador Montero

José Mª Fernández

Elena Moreno

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Microchorros líquidos subenfriados

Tobera < 10 micras Líquido presurizado (5-20 bar) Se enfrían por evaporación superficial (en vacío) Densidad ~ constante Fluctuaciones de Rayleigh: rotura en gotas -> líquido

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P0=0.6 barT0=45 K

P0=8 barT0=17 K

Trayectorias en el diagrama de fases H2

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Chorros supersónicos de gases. Generalidades

M<<1M>>1 M<1

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Chorros supersónicos. Zona de silencio

100 1000z (m)

1x100

1x101

1x102

1x103

1x104

n (1

022

m-3

)

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

v (m

/s)

2.55 bar1.28 bar

v

n

0 500 1000 1500 2000z (m)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Tem

pera

ture

/ K

ortho-H2

para-H2

ortho-H2

para-H2

Rotational

Translational

1.28 bar

2.55 bar

•Se rompe el equilibrio TD: Ttras ≠Trot ≠ Tvib•El chorro supersónico es un sistema dinámico, condicionado por la cinética de colisiones: congelación Trot

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Espectroscopía Raman. Propiedades

Universalidad (todas las especies moleculares dan espectro Raman)

Relación lineal entre intensidad espectral y densidad molecular

Rango espectral de ~1 a 6000 cm-1

Rango dinámico de intensidades >106

Alta resolución espacial (unas pocas micras)

LimitacionesDebilidad intrínseca del efecto Raman

Resolución espectral modesta (~0,1 cm-1)

Ventajas

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Montaje experimental

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Montaje experimental

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Montaje experimental

• Movemos la tobera para muestrear el chorro• Resolución espacial: 1 μm• Resolución temporal:

Gas: v ~ 1000 m/s => 1 ns Líquido v ~ 100 m/s.=> 10 ns

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¿Qué podemos estudiar con espectroscopíaRaman en chorros de fluidos?

espectros de moléculas frías

espectros de moléculas calientes

mapas de temperaturas en chorros de gases

mapas de densidades en chorros de gases

colisiones moleculares inelásticas

agregación molecular

solidificación de líquidos subenfriados

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Colisiones inelásticas H2O:He

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Microchorros de para-H2 y orto-D2 líquidos

Kühnel, Fernández, Tejeda, Kalinin, Montero, Grisenti, Phys. Rev. Lett. 106, 245301 (2011)Kühnel, Fernández, Tramonto, Tejeda, Moreno, et al., Phys. Rev. B 89, 180201(R) (2014)Kühnel, Fernández, Tramonto, Tejeda, Moreno, et al., J. Chem. Phys. 143, 064504 (2015)

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ConclusionesEl FDM-lab ofrece formación en física molecularexperimental, con un marcado carácter interdisciplinar:- Espectroscopía Raman de altas prestaciones- Láseres de potencia y técnicas ópticas relacionadas- Dinámica supersónica de fluidos- Alto vacío- Criogenia (sub 50 K)

Posibles temas de trabajo• colisiones de moléculas de interés astrofísico o atmosférico (+ He, H2..) • agregados moleculares pequeños de (H2, H2O, O2, CO, etc)• cristalización (¿o no?) de microchorros de agua subenfriada