ANNUAL REPORT 2011 - Instituto de Estructura de la Materia

FLUIDODINÁMICA MOLECULAREl principal objetivo de esta línea de investigación es el estudio de los flujos de fluidos en la interfase entre ladescripción microscópica, esencialmente molecular y cuántica, y la macroscópica, regida por la mecánica de fluidosen el régimen del continuo. Si bien ambas vertientes están bien desarrolladas como campos independientes, suconexión es una tierra de nadie con acusado déficit de datos experimentales, de modelos teóricos suficientementerigurosos, y de métodos de cálculo eficientes. Desde el punto de vista experimental, los chorros de líquidossubenfriados resultan ser un medio ideal para estudiar la solidificación homogénea, libre de los efectos de lasparedes de recipientes y de impurezas. Por su parte, los chorros supersónicos de gases son un medioextraordinariamente fértil, en el que es viable el estudio del mecanismo fundamental de la transferencia de energía,las colisiones moleculares inelásticas, cuya formulación aparece en el núcleo de la ecuación integro-diferencial deBoltzmann generalizada.El Laboratorio de Fluidodinámica Molecular dispone de dos instalaciones de diagnóstico de chorros, únicas en sugénero por sus prestaciones y flexibilidad, desarrolladas a lo largo de los últimos dieciocho años. Una (A) estadedicada al estudio de colisiones cohesivas y chorros de líquidos, y la otra (B), a colisiones inelásticas. Sobre estasinstalaciones hemos realizado a lo largo de 2011algunas mejoras para adaptarlas a los experimentos que se han idorealizando. Así, se ha adquirido y montado en la instalación (A) un nuevo sistema de micro-actuadores motorizadosque permite mover la tobera en las tres direcciones del espaciosimultáneamente, con una resolución mejor que 100nm, siguiendo trayectorias con una inclinación arbitraria. Esto ha sido de gran ayuda para el estudio espectroscópicode microfilamentos de líquidos subenfriados producidos con toberas capilares de vidrio enfriadas mediante uncriostato de He líquido, que raramente son colineales con la tobera. Por su parte, en la instalación (B) se haadquirido un nuevo grupo de vacío, específico para poder bombear oxígeno puro con una presión de trabajo unas 10veces mayor (~2 bar), con lo que se espera alcanzar temperaturas rotacionales entre 4 y 10 K, así como observar laformación de dímeros y pequeños agregados de O 2 . También se ha adquirido e instalado un nuevo sistemaevaporador-mezclador para producir de forma controlada chorros gaseosos de mezclas de H 2 O diluida al 2% en He oH 2 para medir sus colisiones, de gran interés astrofísico, y objeto de los proyectos de investigación en curso.Por otra parte, se ha construido un conversor catalítico orto-para hidrógeno, mejorando un diseño original del Max-Plank-Institut für Strömungsforschung de Göttingen (Alemania). El nuevo conversor permite trabajar en flujocontinuo con caudales hasta 5,4 g/hora y una fracción de orto-H 2 residual menor 0,4%. Esta gran pureza es un factorcrítico en los experimentos de condensación ya que pequeñas cantidades de impurezas afectan notablemente lavelocidad de nucleación. Incorpora además un segundo circuito no catalizado, utilizado como trampa criogénicapara la preparación de mezclas. Se debe destacar que gran parte de las piezas, de gran precisión, han sido fabricadasen el Taller Mecánico del CFMAC, sin cuyo soporte no habría sido posible. El laboratorio dispone ahora de dosconversores, lo que ha permitido realizar los experimentos de mezclas de para-H 2 y orto-D 2 que se describen acontinuación.En la instalación (A) se han generado, en colaboración con la Universidad de Frankfurt (Alemania), microchorroslíquidos (filamentos) de mezclas de para-H 2 y orto-D 2 , al 2%, 20% y 50%. En vacío, estos filamentos, de 2 a 5micras de diámetro, se enfrían por evaporación superficial, obteniéndose líquido altamente subenfriado por debajodel punto de fusión, hasta que se rompen en microgotas o solidifican. Sobre esos filamentos, monitorizadosmediante imágenes de sombra por iluminación láser, se han realizado series de espectros Raman a distintasdistancias axiales, lo que ha permitido medir la cristalización con una resolución temporal de ~10 ns.Así, se hacomprobado que pequeñas cantidades de impureza de orto-D 2 retrasan notablemente la velocidad de cristalizaciónde para-H 2 , un efecto de naturaleza cuántica no observado anteriormente.En la instalación (B) se han realizado medidas de series de espectros Raman y Rayleigh de chorros supersónicos deH 2 O pura desde toberas de 350 micras con temperaturas de estancamiento T0=398 K y presiones desde p0=40 mbarhasta 400 mbar, con el fin de estudiar las colisiones inelásticas H 2 O:H 2 O. De estas medidas ha resultado evidenteque hay condensación para p0>40 mbar, lo que perturba la evolución térmica e impide el análisis cuantitativo de lacinética colisional. Finalmente, se han realizado medidas en mezclas de H 2 O al 5% en He, libres de condensación yen las que se alcanzan la temperaturas rotacionales de 36 K, las más bajas hasta la fecha. Con estos experimentos seespera poder cuantificar las colisiones H 2 O:He. En este orden de cosas, se dispone de valores preliminares de tasasde transferencia por colisiones inelásticas, calculados por el grupo teórico de Dinámica e Interacciones del Institutode Física Fundamental del CSIC, con el que se trabaja en estrecha colaboración.En el capítulo metodológico se ha constatado la insuficiencia de los modelos habituales (basados en la aproximaciónisentrópica de un gas perfecto) para la caracterización precisa de la fluidodinámica de los chorros supersónicos. Enconsecuencia, se ha desarrollado una teoría fluidodinámica “ex novo” en base a los rigurosos principios físicos deconservación de masa, momento y energía, tratando el gas en expansión como un gas real, sin idealización alguna.36