[論文レビュー] Capillary Rise and Imbibition of Liquids in Nanoporous Matrices: Rheological Concepts and Experiments

Simon Gruener, Patrick Huber|arXiv (Cornell University)|May 5, 2010

Pickering emulsions and particle stabilization参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、孔半径が3.4–4.9 nmのナノポーラスシリカガラス（Vycor）におけるキャピラリー駆動インビビションを、重量測定を用いて液体の流れのダイナミクスを分析することにより調査している。さまざまな液体（水、n-アルカン、シリコンオイル、液晶）において、時間の平方根に従うインビビションキネティクスが観察され、これは一様な体積流動性とキャピラリー力に加え、接着性（負のスリップ長）を示す界面層によって説明される。一方、n-テトラコサントールではメニスカス凍結が観察され、ナノスケールで閉じ込められたネマチック液晶では、粘度の変化が抑制されたことが確認された。

ABSTRACT

Liquid flow propelled by capillary forces is one of the most important transport mechanisms in porous environments. It is governed by a fascinating interplay of interfacial, viscous drag as well as gravitational forces which liquids encounter upon invasion into geometries with often complex topologies, such as capillary networks of trees or interconnected fractures in soils and ice. Here, we present fundamentals, concepts and an experimental, gravimetric study on the capillarity-driven invasion dynamics of liquids in networks of pores a few nanometers across in monolithic, nanoporous silica glass (porous Vycor). A variation of the complexity of the building blocks of the liquids investigated along with a variation of the humidity and the temperature upon spontaneous imbibition allows us to gain information regarding the fluidity and capillarity of liquids in such nanoporous environments. We observe square-root of time imbibition dynamics for all liquids applied, which we can quantitatively describe by both a conserved bulk fluidity in the pore center and bulk capillarity at the advancing menisci, if we assume a sticky boundary layer (negative velocity slip length). Moreover, pecularities of nanopore-confined liquids, such as transport via the vapor phase leading to preadsorbed liquid layers, have to be properly accounted for. Upon increasing the chain-length in the case of the n-alkanes, we found hints towards a transition from stick- to slip-flow at the pore walls with increasing chain-length and thus polymeric behavior. Meniscus freezing is reported for n-tetracosane confined in porous Vycor. For the rheology of a rod-like liquid nematogen (8OCB) we found no hints of the viscosity drop upon entering into the nematic phase, typical of the bulk rheology of this liquid crystal.

研究の動機と目的

• 極端な空間的制限下、特に連続体流体力学が破綻する可能性があるナノスケールでの液体の流れの力学的挙動を理解すること。
• 体積流動性とキャピラリー力がナノポーラス内でも保持されるか、界面相互作用が流れのダイナミクスに与える影響を特定すること。
• 液体結晶や長鎖アルカンを含むナノポーラスに閉じ込められた液体における相転移挙動と流れの異常を調査すること。
• 複雑なポーラストポロジーを有するナノポーラスネットワークにおいて、古典的流体力学モデル（例：ダルシーの法則）の妥当性を検証すること。
• 界面層（例えば、事前吸着膜やメニスカス凍結）がインビビションキネティクスに与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 制御された孔半径（3.4 nmおよび4.9 nm）を有するモノリシックナノポーラスVycorガラスにおける自発的インビビションの重量測定。
• 液体の複雑さを系統的に変化させた実験：水、n-アルカン（C24）、シリコンオイル、および棒状液晶（8OCB）。
• ダルシーの法則をナノポーラスネットワークに拡張し、一様な体積流動性とキャピラリー力に加え、負のスリップ長境界条件を仮定。
• 時間依存的質量吸着の分析によりインビビションダイナミクスを抽出し、時間の平方根スケーリングからスリップ長を推定。
• 界面層（事前吸着液体膜）および蒸気相輸送効果を流体力学モデルに組み込み。
• 平衡相挙動とその動的流れへの影響を評価するための補足的バイレフレンセンスおよび熱分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノポーラスにおけるキャピラリー駆動インビビションは時間の平方根に従うキネティクスを示すか。また、これは一様な体積流動性とキャピラリー力に加え、修正された境界条件によって説明可能か。
• RQ2 界面相互作用、特に接着性（負のスリップ長）を示す界面層が、ナノポーラス内でのインビビションダイナミクスに与える影響はいかほどか。
• RQ3 液体の流動性はポーラス中心部でどれほど保持されており、これは体積流動性と比較してどの程度か。
• RQ4 ナノスケールにおけるインビビションプロセスにおいて、事前吸着液体膜および蒸気相輸送が果たす役割は何か。
• RQ5 空間的制限は液体結晶の相転移挙動をどのように変化させるか。また、ネマチック転移に伴う粘度低下は保持されるか。

主な発見

• 研究対象のすべての液体が、ポーラス中心部における一様な体積流動性とキャピラリー力に起因する時間の平方根に従うインビビションダイナミクスを示した。
• V5ではb = (-1.11 ± 0.23) nm、V10ではb = (-1.54 ± 0.31) nmの負のスリップ長は、ポーラス壁面に接着性界面層が存在することを示し、壁面でスリップフローが発生しないことを示唆している。
• n-テトラコサントールでは、界面に整列した単層膜に類似した構造（界面活性剤に類似）が形成され、メニスカス凍結が観察された。これは強い界面構造化を示している。
• 棒状液晶8OCBでは、ネマチック相に移行した際に粘度の低下が観察されず、通常の体積流動的転移が抑制されたことが示された。
• 8OCBにおけるネマチック相は閉じ込められた状態で安定化しており、流れに起因する配向整列によりパラネマチック-ネマチック転移が広がった。
• 本研究の結果は、2相流モデルを支持するものである。即ち、ポーラス中心部では高速で体積流動に類似した流れが、界面層では強い液体-基板相互作用に起因する遅い流れが共存する。これは、吸着等温線における薄膜およびキャピラリー凝縮状態に類似している。