[論文レビュー] Complex Fluids: The Physics of Emulsions

M. E. Cates|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2012

Pickering emulsions and particle stabilization被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、界面の安定化、界面活性剤および粒子による界面の安定化、重力下でのエマルション安定性を焦点に、エマルションの物理的メカニズムを理解するための理論的枠組みを提示する。粒子で安定化されたエマルションのための臨界ボンド数を導入し、中性接触角を示す粒子では集団的剥離（テクトニックモード）が支配的であるのに対し、非中性接触角ではキーストーン破壊が生じ、それぞれBo*はN^{-1/2}またはN^{-1}に比例する。

ABSTRACT

These lectures start with the mean field theory for a symmetric binary fluid mixture, addressing interfacial tension, the stress tensor, and the equations of motion (Model H). We then consider the phase separation kinetics of such a mixture: coalescence, Ostwald ripening, its prevention by trapped species, coarsening of bicontinuous states, and the role of shear flow. The third topic addressed is the stabilization of emulsions by using surfactants to reduce or even eliminate the interfacial tension between phases; the physics of bending energy, which becomes relevant in the latter case, is then presented briefly. The final topic is the creation of long-lived metastable emulsions by adsorption of colloidal particles or nano-particles at the fluid-fluid interface; alongside spherical droplets, these methods can be used to create a range of unconventional structures with potentially interesting properties that are only now being explored.

研究の動機と目的

• 複雑な流体におけるエマルション形成および安定化の熱力学的および運動的メカニズムを説明すること。
• 界面張力の低減または不可逆的障壁の形成によって、界面活性剤およびコロイド粒子が相分離をどのように防ぐかを分析すること。
• 重力的力の下での粒子で安定化されたエマルションの安定性を調査し、特に粒子の剥離メカニズムの役割を明らかにすること。
• コロイド粒子の単層でコーティングされたドロイプから集団的粒子剥離が生じる際の臨界ボンド数を導出し、解釈すること。
• 粒子で安定化されたエマルションにおける競合する破壊モード（キーストーンおよびテクトニック）を比較し、接触角および粒子数に依存する挙動を特定すること。

提案手法

• 二成分流体の相分離および界面ダイナミクスを記述するために平均場理論およびModel Hを用いる。
• ガウス＝ボンネの定理および曲率剛性の再規格化を用いて、曲がった幾何学における界面エネルギーを分析する。
• 粒子の界面への吸着を、剥離エネルギーのしきい値および接触角依存性を用いてモデル化する。
• 重力による引張力と界面張力の力のバランスを考慮し、キーストーンおよびテクトニック剥離の両モードを想定して、臨界ボンド数Bo*を導出する。
• スケーリングの議論および幾何的近似（例：R ≈ aN^{1/2}）を用いて、Bo*が粒子数Nに依存する割合を推定する。
• 理論的分析を実験およびシミュレーションデータと統合し、異なる接触角における予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面活性剤が存在する場合、界面張力はどのように変化するのか。また、実質的にゼロの界面張力を持つマイクロエマルションが形成される条件は何か。
• RQ2 バイコンティヌアスマイクロエマルションの安定性は何かによって決定され、粗大化に対してどのように安定化できるか。
• RQ3 粒子で安定化されたエマルションは、凝集およびオストワルド・リピーニングに対してどのように抵抗するのか。また、不可逆的吸着は果たす役割は何か。
• RQ4 曲がったドロイプから粒子単層が剥離する際の臨界ボンド数は何か。また、粒子数Nにどのように依存するか。
• RQ5 キーストーンおよびテクトニックのどちらの剥離メカニズムが粒子で安定化されたエマルションにおいて支配的であり、接触角にどのように依存するか。

主な発見

• テクトニックモードでは、ドロイプからの粒子剥離の臨界ボンド数はBo* ∝ N^{-1/2}に比例し、Nは単層に含まれる粒子数である。
• 中性接触角（θ = π/2）の粒子では、シミュレーションによりテクトニック剥離が支配的であり、Bo*はN^{-1/2}に比例する。これは赤道にわたる集団的破壊に起因する。
• 非中性接触角の場合はキーストーンメカニズムが支配的であり、1つの粒子が全負荷を負担するため、Bo* ∝ N^{-1}に比例する。
• バイジェル（バイコンティヌアス相互に貫通するネットワーク）の弾性率はG ∼ γ / ξに比例し、ドメインサイズξ ≈ a / φ_pである。ここでaは粒子サイズ、φ_pは体積分率である。
• 粒子で安定化されたエマルションは、高い剥離エネルギー障壁のおかげで、メタスタブルまたは安定な構造（ピケリンクフォーム、多重エマルション、剛性バイジェルなど）を形成できる。
• 単一の粒子に作用する重力的力が弱くても、単層内の粒子に重力的力が蓄積され、特に密度の高い単層では、巨視的不安定性を引き起こすことがある。