Untersuchung Brownscher Partikel im Scherfluss durch Korrelationsanalysen unter Verwendung optischer Pinzetten

Abstract

In dieser Arbeit wurden erstmals experimentell Kreuzkorrelationen zwischen fluktuierenden Brownschen Teilchen untersucht, die durch eine Scherströmung generiert wurden. Die Korrelationen wurden senkrecht und in Strömungsrichtung untersucht. Ein neues Experiment mit einer optischen Pinzette, bestehend aus zwei Lasern, wurde eigens aufgebaut um eine oder zwei Kugeln in jeweils einem harmonischen Potential zu halten. Gleichzeitig wurde deren Position mit einer Ortsauflösung unterhalb von 8 detektiert. Die Detektion der Kugeln erfolgte mit einer Kamera bei einer zeitlichen Auflösung von 15kHz. Entgegen bisheriger Messungen in ruhendem Wasser, bei denen die räumliche Aufenthaltsverteilung isotrop waren, konnten an 3µm Kugeln im Scherfluss, der durch eine spezielle mikrofluidische Flusszelle generiert wurde, zeitirreversible Korrelationen orthogonaler Bewegungsrichtungen in Strömungs- und Gradientenrichtung nachgewiesen werden. Zwei Kugeln, die einige Mikrometer voneinander entfernt sind, verspüren in der ruhenden Flüssigkeit aufgrund ihrer hydrodynamischen Wechselwirkung eine Antikorrelation entlang ihrer Verbindungslinie. Im linearen Scherfluss konnte die Korrelation orthogonaler Bewegungsrichtungen zweier Kugeln nachgewiesen werden. Der Verlauf der Korrelationsfunktion wies ein scherabhängiges Minimum auf und besaß eine zeitliche Asymmetrie.

Shear-induced cross-correlations between Brownian particle fluctuations perpendicular and along streamlines were investigated for the first time experimentally in a linear shear flow. A new two beam optical tweezers setup was designed to localize one or two particles, each in a harmonic potential, and to detect the positions of the particles as a function of time with a high spatial precision below 8. These positions were recorded via a high speed camera with 15kHz resolution. In contrast to measurements in quiescent water with isotropic position distributions, we found that in shear flow, generated in a special designed micro fluidic device, orthogonal movements of a 3µm bead in stream- and gradient- directions were correlated and the time reversal symmetry was broken. Again in a quiescent fluid, fluctuations of two particles, separated by a few microns, are known to be anti-correlated along their connecting vector due to hydrodynamic coupling. In linear shear flow, we found a coupling process that correlates the orthogonal directions of the two particles. The correlation exhibited a shear dependency minimum in time and again the time reversal symmetry was broken.