La velocimetría de etiquetado molecular ( MTV ) es una forma específica de velocimetría de flujo , una técnica para determinar la velocidad de las corrientes en fluidos como el aire y el agua. [1] En su forma más simple, un único rayo láser de "escritura" se dispara una vez a través del espacio muestral. A lo largo de su recorrido se inicia un proceso químico inducido ópticamente , que da como resultado la creación de una nueva especie química o el cambio del estado energético interno de una existente, de modo que las moléculas impactadas por el rayo láser puedan distinguirse del resto del fluido. . Se dice que estas moléculas están "etiquetadas".
Esta línea de moléculas marcadas ahora es transportada por el flujo de fluido. Para obtener información sobre la velocidad, se obtienen y analizan imágenes en dos instantes en el tiempo (a menudo mediante correlación de las intensidades de las imágenes) para determinar el desplazamiento. Si el flujo es tridimensional o turbulento la línea no sólo se desplazará sino que también se deformará.
Hay tres formas ópticas a través de las cuales se pueden visualizar estas moléculas marcadas: fluorescencia , fosforescencia y fluorescencia inducida por láser (LIF). En los tres casos, las moléculas se relajan a un estado inferior y su exceso de energía se libera en forma de fotones . En la fluorescencia, esta caída de energía se produce rápidamente (entre s y s a presión atmosférica ), lo que hace que la fluorescencia "directa" no sea práctica para el etiquetado. En la fosforescencia, la desintegración es más lenta porque la transición está prohibida por la mecánica cuántica .
En algunos esquemas de "escritura", la molécula marcada termina en un estado excitado . Si la molécula se relaja a través de la fosforescencia, que dura lo suficiente como para ver el desplazamiento de la línea, esto se puede usar para rastrear la línea escrita y no se necesita ningún paso de visualización adicional. Si durante el marcado la molécula no alcanzó un estado fosforescente o se relajó antes de "leer" la molécula, se necesita un segundo paso. Luego, la molécula marcada se excita utilizando un segundo rayo láser, empleando una longitud de onda tal que excite específicamente la molécula marcada. La molécula emitirá fluorescencia y esta fluorescencia se captura mediante una cámara. Esta forma de visualización se denomina fluorescencia inducida por láser (LIF).
Las técnicas ópticas se utilizan con frecuencia en la velocimetría de fluidos moderna, pero la mayoría son de naturaleza optomecánica. Las técnicas optomecánicas no se basan únicamente en la fotónica para medir el flujo, sino que requieren una siembra de tamaño macro. Los ejemplos más conocidos y utilizados con frecuencia son la velocimetría de imagen de partículas (PIV) y la velocimetría láser Doppler (LDV). Dentro del campo de las técnicas totalmente ópticas podemos distinguir técnicas análogas pero utilizando trazadores moleculares. En los esquemas Doppler , la luz se dispersa casi elásticamente de las moléculas y la velocidad de las moléculas transmite un desplazamiento Doppler a la frecuencia de la luz dispersada . En las técnicas de etiquetado molecular, como en PIV, la velocimetría se basa en visualizar los desplazamientos del trazador.
Se ha demostrado que las técnicas MTV permiten medir velocidades en entornos inhóspitos, como motores a reacción , llamas, recipientes de alta presión, donde es difícil que funcionen técnicas como Pitot , velocimetría de hilo caliente y PIV. El campo de MTV es bastante joven; La primera demostración de implementación surgió en la década de 1980 y el número de esquemas desarrollados e investigados para su uso en el aire es todavía bastante pequeño. Estos esquemas difieren en la molécula que se crea, si es necesario sembrar el flujo con moléculas extrañas y qué longitud de onda de luz se utiliza.
Los estudios más completos de mecánica de fluidos en gases se han realizado utilizando el esquema RELIEF y el esquema APART. Ambas técnicas se pueden utilizar en el aire ambiente sin necesidad de siembra adicional. En RELIEF, el oxígeno excitado se utiliza como trazador. El método aprovecha las propiedades de la mecánica cuántica que impiden la relajación de la molécula, de modo que el oxígeno excitado tenga una vida útil relativamente larga.
APART se basa en la "fotosíntesis" del óxido nítrico . Dado que el NO es una molécula estable, los patrones escritos con él pueden, en principio, seguirse casi indefinidamente.
Otra técnica bien desarrollada y ampliamente documentada que produce una precisión extremadamente alta es la velocimetría de etiquetado de hidroxilo (HTV). Se basa en la fotodisociación del vapor de agua seguida de la visualización del radical OH resultante utilizando LIF. HTV se ha demostrado con éxito en muchas condiciones de prueba que van desde flujos a temperatura ambiente hasta flujos Mach 2 dentro de una cavidad.
En líquidos, se han clasificado tres enfoques de MTV: [2] MTV por fosforescencia directa (usando un tinte fosforescente), absorbancia (usando un tinte fotocrómico ) y fluorescencia del fotoproducto (usando típicamente un tinte enjaulado ).
MTV basado en fosforescencia directa es la técnica más fácil de implementar porque se necesita un solo láser para producir un estado molecular excitado luminiscente. [3] La señal de fosforescencia es generalmente más débil y más difícil de detectar que la fluorescencia .
La segunda técnica denominada MTV por absorbancia se basa en la alteración reversible de las propiedades de fluorescencia de un tinte fotocromático . El esquema mostró buenos resultados en alcohol [4] y aceites, [5] [6] pero no en agua en la que los tintes típicos no son solubles.
La tercera variante de MTV se utilizó por primera vez en líquidos en 1995 [7] con el nombre de "seguimiento no intrusivo fotoactivado del movimiento molecular" (PHANTOMM). La técnica PHANTOMM inicialmente se basó en un tinte enjaulado a base de fluoresceína excitado por un láser azul. Más recientemente, se utilizó con éxito un tinte enjaulado a base de rodamina con láseres verdes y ultravioleta pulsados. [8]
