Forscher am Max-Planck-Institut für die Wissenschaft des Lichts (MPL) und am Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) haben eine neue Methode zur Messung negativen Drucks entwickelt. Mit Hilfe von mit Flüssigkeit gefüllten optischen Fasern und Schallwellen können sie negative Druckwerte mit hoher Präzision und räumlicher Auflösung erfassen. Die Forscher kombinierten optische und akustische Wellen, um den Einfluss von Druck und Temperatur in verschiedenen thermodynamischen Zuständen von Flüssigkeiten zu messen. Dazu kapselten sie kleine Mengen an Flüssigkeit in einer geschlossenen optischen Faser ein. Bei ihren Experimenten verwendeten sie Schwefelkohlenstoff als Flüssigkeit, da mit toxischen Flüssigkeiten hohe Drücke verbunden sind. Die Methode ermöglicht präzise Druckmessungen mit Licht- und Schallwellen in einem kompakten Aufbau. Die Kombination von Optoakustik-Messungen und dicht versiegelten Kapillarfasern eröffnet die Möglichkeit, chemische Reaktionen in toxischen Flüssigkeiten zu überwachen und neue thermodynamische Regimes zu erforschen. Die Forscher sind davon überzeugt, dass diese Plattform zur Entdeckung neuer Eigenschaften und Phänomene in Materialien führen könnte.
Einführung
Forscher am Max-Planck-Institut für die Wissenschaft des Lichts (MPL) und am Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) haben eine innovative Methode entwickelt, um negativen Druck mithilfe flüssigkeitsgefüllter optischer Fasern und Schallwellen zu messen. Negativer Druck ist ein seltenes und schwer zu erfassendes Phänomen in der Physik, und bisherige Messverfahren waren in ihrer Genauigkeit und räumlichen Auflösung begrenzt.
Kombination von optischen und akustischen Wellen
Den Forschern am MPL und IPHT ist es gelungen, optische und akustische Wellen erfolgreich zu kombinieren, um den Einfluss von Druck und Temperatur in verschiedenen thermodynamischen Zuständen von Flüssigkeiten zu messen. Durch das Einschließen kleiner Mengen Flüssigkeit in einer geschlossenen optischen Faser konnten sie sowohl positive als auch negative Drücke erzeugen. Schallwellen wurden als Sensoren eingesetzt, um negative Druckwerte mit hoher Präzision und detaillierter räumlicher Auflösung zu untersuchen.
Vorteile von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern
Flüssigkeitsgefüllte optische Fasern bieten eine einzigartige Plattform für Druckmessungen aufgrund ihrer Flexibilität und Fähigkeit, Licht zu übertragen. Die Flüssigkeit dient als Medium, das von Druckänderungen beeinflusst werden kann, was eine genaue Erfassung ermöglicht. Der Einsatz optischer Fasern ermöglicht auch die Durchführung der Messung aus der Ferne, was sie für Anwendungen geeignet macht, bei denen ein direkter Zugang zum Messbereich schwierig oder gefährlich ist.
Rolle von Schallwellen als Sensoren
Schallwellen werden in diesem Verfahren als Sensoren eingesetzt, um die Druckveränderungen innerhalb der flüssigkeitsgefüllten optischen Faser zu erfassen. Bei Änderungen des Drucks verändert sich auch die Geschwindigkeit der Schallwellen, die durch die Flüssigkeit hindurchlaufen. Durch die Analyse der Veränderungen in der Schallwellengeschwindigkeit können die Forscher die negativen Druckwerte genau bestimmen. Dieser Ansatz bietet eine hohe Präzision und räumliche Auflösung, die eine detaillierte Analyse der Druckvariationen ermöglicht.
Der experimentelle Aufbau
Die Forscher verwendeten Kohlenstoffdisulfid als Flüssigkeit in ihren Experimenten. Kohlenstoffdisulfid ist aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Druck- und Temperaturänderungen eine geeignete Wahl und daher eine ideale Kandidatin für die Erforschung von negativem Druck. Die Verwendung erfordert allerdings einen kompakten Aufbau aufgrund der mit hohen Drücken verbundenen Gefahren, insbesondere bei der Arbeit mit giftigen Flüssigkeiten.
Einbettung in eine optische Faser
Um die notwendige Umgebung zur Untersuchung von negativem Druck zu schaffen, werden kleine Mengen Flüssigkeit in einer geschlossenen optischen Faser eingebettet. Die optische Faser dient als Behälter, der die Flüssigkeit einschließt und die Übertragung von Licht ermöglicht. Durch den Einbettungsprozess wird sichergestellt, dass die Flüssigkeit innerhalb der Faser versiegelt bleibt und Druckänderungen genau gemessen werden können.
Überwachung von negativem Druck
Sobald die Flüssigkeit in der optischen Faser eingekapselt ist, werden Schallwellen eingeführt, um die Druckveränderungen zu überwachen. Die Geschwindigkeit der Schallwellen, die durch die Flüssigkeit hindurchlaufen, wird mithilfe fortschrittlicher Sensortechniken gemessen. Durch den Vergleich der Veränderungen in der Schallwellengeschwindigkeit mit bekannten Druckwerten können die Forscher negative Drücke präzise bestimmen. Die Verwendung sorgfältig konzipierter optischer Fasern und die genaue Überwachung der Schallwellengeschwindigkeit ermöglichen eine detaillierte räumliche Auflösung der Druckvariationen innerhalb der Flüssigkeit.
Anwendungen und zukünftige Auswirkungen
Die von den Forschern am MPL und IPHT entwickelte Methode eröffnet mehrere Möglichkeiten für praktische Anwendungen und weitere Untersuchungen thermodynamischer Zustände von Flüssigkeiten.
Genaue Druckmessungen
Die Kombination aus optoakustischen Messungen und dicht verschlossenen Kapillarfasern ermöglicht genaue Druckmessungen mithilfe von Licht- und Schallwellen. Die Genauigkeit und räumliche Auflösung dieser Methode machen sie zu einem wertvollen Werkzeug für verschiedene Bereiche, einschließlich Forschung und industrieller Anwendungen, die eine detaillierte Druckanalyse erfordern.
Überwachung chemischer Reaktionen in toxischen Flüssigkeiten
Die Möglichkeit, Druckveränderungen in toxischen Flüssigkeiten durch den Einsatz flüssigkeitsgefüllter optischer Fasern zu überwachen, bietet einen sichereren Ansatz zur Untersuchung chemischer Reaktionen. Forscher können Reaktionen in giftigen Umgebungen nun beobachten und analysieren, ohne direkten physikalischen Kontakt mit der Flüssigkeit zu haben und potenzielle Gefahren zu minimieren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung komplexer chemischer Reaktionen und die Entwicklung sichererer industrieller Prozesse.
Erforschung neuer thermodynamischer Zustände
Der neuartige Ansatz, optische und akustische Wellen zur Untersuchung von negativem Druck zu kombinieren, ermöglicht die Erforschung neuer thermodynamischer Zustände von Flüssigkeiten. Durch die präzise Messung von Druckschwankungen können Forscher neue Eigenschaften und Phänomene in Materialien entdecken. Dieses Wissen kann zu Fortschritten in den Materialwissenschaften, der Ingenieurwissenschaft und anderen Bereichen führen.
Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Die Entwicklung einer Methode zur Messung von negativem Druck mithilfe flüssigkeitsgefüllter optischer Fasern und Schallwellen stellt einen Durchbruch auf dem Gebiet der Druckmessung dar. Durch die Kombination von optischen und akustischen Wellen können Forscher Druckveränderungen in Flüssigkeiten genau messen und negative Druckwerte mit hoher Präzision und detaillierter räumlicher Auflösung beobachten. Der Einsatz flüssigkeitsgefüllter optischer Fasern und Schallwellensensoren eröffnet Möglichkeiten für präzise Druckmessungen, die Überwachung chemischer Reaktionen in toxischen Flüssigkeiten und die Erforschung neuer thermodynamischer Zustände. Diese Forschung ebnet den Weg für Fortschritte in verschiedenen Bereichen und die Entdeckung neuer Phänomene in Materialien.
