[論文レビュー] Ageing under oscillatory stress: Role of energy barrier distribution in soft glassy materials

Asheesh Shukla, Yogesh M. Joshi|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2008

Material Dynamics and Properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、振動応力下におけるラポナイト懸濁液の老化を調査し、ひずみによってポテンシャルエネルギー障壁が強化されることで、粘度、ひずみ、老化の間のフィードバックループが生じることを明らかにした。その結果、浅い井戸に捕らえられた粒子の選択的降伏によって、弾性率および粘性率が急激に、応力に依存して上昇する現象が観察された一方で、より深い井戸に捕らえられた粒子は長時間にわたる老化を示し、塩添加によるマイクロ構造の変化が障壁高さ分布および老化ダイナミクスを顕著に変化させた。

ABSTRACT

In this work the ageing dynamics of soft solids of aqueous suspension of laponite has been investigated under the oscillatory stress field. We observed that at small stresses elastic and viscous moduli showed a steady rise with the elastic modulus increasing at a faster rate than the viscous modulus. However at higher stresses both the moduli underwent a sudden rise by several orders of magnitude with the onset of rise getting shifted to a higher age for a larger shear stress. We believe that the observed behavior is due to interaction of barrier height distribution of the potential energy wells in which the particle is trapped and strain induced potential energy enhancement of the particles. Strain induced in the material causes yielding of the particles that are trapped in the shallower wells. Those trapped in the deeper wells continue to age enhancing the cage diffusion timescale and thereby the viscosity which lowers the magnitude of strain allowing more particles to age. This coupled dependence of strain, viscosity and ageing causes forward feedback for a given magnitude of stress leading to sudden rise in both the moduli. Changing the microstructure of the laponite suspension by adding salt affected the barrier heights distribution that showed a profound influence on the ageing behavior. Interestingly, this study suggests a possibility that any apparently yielded material with negligible elastic modulus, may get jammed at a very large waiting time.

研究の動機と目的

• 振動応力がラポナイト懸濁液のようなソフトグラッシー材料の老化ダイナミクスに与える影響を理解すること。
• ポテンシャルエネルギー井戸内のエネルギー障壁分布が、老化中の機械的応答に果たす役割を調査すること。
• ひずみ誘発によるポテンシャルエネルギーの増強が、粘度、ひずみ、老化の間のフィードバック機構をどのように駆動するかを明らかにすること。
• 塩添加によって引き起こされるマイクロ構造の変化が、障壁高さ分布および老化行動に与える影響を検討すること。
• 弾性率が無視できるほど小さい材料が、長時間の待機後、最終的に再ジャムするかどうかを特定すること。

提案手法

• 老化ダイナミクスを調査するために、水系ラポナイト懸濁液に振動応力を適用すること。
• さまざまな応力振幅下での時間依存的弾性率および粘性率の測定。
• 粒子が捕らえられているポテンシャル井戸内のエネルギー障壁の分布の分析。
• ひずみ誘発によるポテンシャルエネルギー井戸の強化をモデル化し、浅いトラップに捕らえられた粒子の選択的降伏を誘導すること。
• 塩添加を用いてマイクロ構造を変更し、エネルギー障壁高さ分布を変化させること。
• 時間分解 rheological 測定を通じて、粘度、ひずみ、老化の間のフィードバックを観察すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 振動応力は、ラポナイト懸濁液の老化過程における弾性率および粘性率の進化にどのように影響するか？
• RQ2 エネルギー障壁高さ分布が、応力下でのモジュラス上昇の発生および大きさを決定づける役割を果たすか？
• RQ3 ひずみ誘発によるポテンシャルエネルギー増強が、粘度、ひずみ、老化の間のフィードバックループをどのように引き起こすか？
• RQ4 塩添加によるマイクロ構造の改変が、エネルギー障壁分布および老化行動にどのように影響するか？
• RQ5 弾性率が無視できるほど小さいと見なされる材料が、十分に長い待機時間の後、最終的に再ジャムすることができるか？

主な発見

• 低応力下では、弾性率および粘性率の両方が滑らかに増加し、弾性率の上昇が粘性率の上昇を上回った。
• 高応力下では、両モジュラスが急激に、桁数が増加するように上昇し、より高いせん断応力では、この上昇の発生が遅延した。
• 観察された挙動は、フィードバックループに起因する。ひずみにより浅い井戸の粒子が降伏する一方、深い井戸の粒子は引き続き老化を続け、粘度が上昇し、ひずみが減少する。その結果、より多くの粒子が老化を継続できるようになる。
• 塩添加によりマイクロ構造が変化し、その結果、エネルギー障壁高さ分布が変化し、老化ダイナミクスに顕著な影響を与えた。
• 本研究では、弾性率が無視できるほど小さい材料でも、十分に長い待機時間の後、最終的に再ジャムする可能性があると示唆されており、これは、明らかに降伏状態にあるにもかかわらず、長期的には回復可能な可能性を示している。