La velocimetría de marcado 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, se dispara un solo rayo láser "de escritura" una vez a través del espacio muestral. A lo largo de su trayectoria se inicia un proceso químico inducido ópticamente , que da como resultado la creación de una nueva especie química o el cambio del estado de energía interna de una existente, de modo que las moléculas alcanzadas por el rayo láser se pueden distinguir del resto del fluido. Se dice que dichas moléculas están "marcadas".
Esta línea de moléculas marcadas es ahora transportada por el flujo de fluido. Para obtener información sobre la velocidad, se obtienen imágenes en dos momentos y se analizan (a menudo mediante la correlación de las intensidades de las imágenes) para determinar el desplazamiento. Si el flujo es tridimensional o turbulento, la línea no solo se desplazará, sino que también se deformará.
Existen 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 descomposición de energía se produce rápidamente (en un plazo de s a s a presión atmosférica ), lo que hace que la fluorescencia "directa" sea poco práctica para el marcado. En la fosforescencia, la descomposición es más lenta, porque la transición está prohibida por la mecánica cuántica .
En algunos esquemas de "escritura", la molécula etiquetada termina en un estado excitado . Si la molécula se relaja a través de la fosforescencia, lo que dura lo suficiente como para ver el desplazamiento de la línea, esto se puede utilizar para rastrear la línea escrita y no se necesita ningún paso de visualización adicional. Si durante el etiquetado la molécula no alcanzó un estado de fosforescencia, o se relajó antes de que la molécula fuera "leída", se necesita un segundo paso. La molécula etiquetada se excita luego utilizando un segundo rayo láser, empleando una longitud de onda tal que excite específicamente a la molécula etiquetada. La molécula emitirá fluorescencia y esta fluorescencia se captura mediante una cámara. Esta forma de visualización se llama 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 las mediciones de flujo, sino que requieren una siembra a gran escala. Los ejemplos más conocidos y utilizados con frecuencia son la velocimetría de imágenes de partículas (PIV) y la velocimetría láser Doppler (LDV). Dentro del campo de las técnicas totalmente ópticas, podemos distinguir técnicas análogas pero que utilizan trazadores moleculares. En los esquemas Doppler , la luz se dispersa de forma cuasi elástica en las moléculas y la velocidad de las moléculas transmite un desplazamiento Doppler a la frecuencia de la luz dispersada . En las técnicas de marcado molecular, como en la PIV, la velocimetría se basa en la visualización de los desplazamientos de los trazadores.
Las técnicas de MTV han demostrado permitir mediciones de velocidades en entornos inhóspitos, como motores a reacción , llamas, recipientes a 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 todavía es 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 está utilizando.
Los estudios más exhaustivos de mecánica de fluidos en gas se han realizado utilizando el esquema RELIEF y el esquema APART. Ambas técnicas se pueden utilizar en aire ambiente sin necesidad de siembra adicional. En RELIEF, se utiliza oxígeno excitado como trazador. El método aprovecha las propiedades mecánicas cuánticas que prohíben la relajación de la molécula, de modo que el oxígeno excitado tiene una vida útil relativamente larga.
APART se basa en la "fotosíntesis" del óxido nítrico . Como 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 marcado de hidroxilo (HTV). Se basa en la fotodisociación del vapor de agua seguida de la visualización del radical OH resultante mediante LIF. La HTV se ha demostrado con éxito en muchas condiciones de prueba que van desde flujos a temperatura ambiente hasta flujos a 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 (normalmente usando un tinte enjaulado ).
La MTV basada 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 colorante fotocrómico . El esquema mostró buenos resultados en alcohol [4] y aceites, [5] [6] pero no en agua en la que los colorantes típicos no son solubles.
La tercera variante de MTV se utilizó por primera vez en líquidos en 1995 [7] bajo el nombre de "seguimiento no intrusivo fotoactivado del movimiento molecular" (PHANTOMM). La técnica PHANTOMM inicialmente se basaba en un colorante enjaulado basado en fluoresceína excitado por un láser azul. Más recientemente, se utilizó con éxito un colorante enjaulado basado en rodamina con láseres UV y verdes pulsados. [8]
