分层流体中的簇形成与自组装：颗粒聚集的一种新机制
流体动力学
2019-05-21 v1 偏微分方程分析
摘要
自然界中极其广泛且重要的一类现象涉及流体系统在重力作用下物质的沉降与聚集。一些例子包括：湖泊和海洋中沉降的海洋雪颗粒（对碳封存至关重要）、海洋中致密的微塑料（影响海洋生态和食物链），甚至水星上的铁雪（被推测为其磁场来源）。这些流体系统都具有稳定的密度分层，已知其通过上层轻流体包裹下沉颗粒来捕获颗粒，从而提供瞬态浮力。目前对此类被捕获物质聚集的理解涉及碰撞（由于布朗运动、剪切和差异沉降）和黏附。在此，我们观察并阐释了一种新的基本有效吸引机制，借此悬浮在分层中的颗粒可以自组装并形成大聚集体，而无需短程结合效应。该现象通过涉及溶质扩散、不可渗透边界和聚集体几何形状的复杂相互作用产生，并形成环形流。我们表明这些环形流在颗粒间产生吸引性水平力。我们观察到许多颗粒表现出集体运动，揭示了一个自组装系统，似乎在组织成盘状形状的过程中解决类似拼图的难题，且有效力随集体盘半径增大而增加。使用两个物体的对照实验分离了个体动力学，并通过底层运动方程的数值积分进行了定量预测。这一新机制可能是海洋雪聚集体形成和湖泊与海洋中浮游植物分布的重要过程。此外，它潜在地为层状材料的普遍分选和堆积提供了新机制。
引用
@article{arxiv.1905.07610,
title = {Cluster formation and self-assembly in stratified fluids: a novel mechanism for particulate aggregation},
author = {Roberto Camassa and Daniel M. Harris and Robert Hunt and Zeliha Kilic and Richard M. McLaughlin},
journal= {arXiv preprint arXiv:1905.07610},
year = {2019}
}