[論文レビュー] Dynamically Correlated Region in Sheared Colloidal Glasses Revealed by Neutron Scattering

Zhe Wang, Takuya Iwashita+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2017

Material Dynamics and Properties参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、イン・サイト小角中性子回折(SANS)および rheometry を用いて、せん断された charged colloidal glasses に動的に相関する領域(DCR)を同定した。DCRは、長距離作用する静電的反発力によって維持され、構造的再配置を抵抗する局所的弾性障壁として機能する。そのサイズと応力応答は、低〜中程度のせん断速度域で、マクロなせん断応力と定量的に一致し、強い相互作用を示すコロイドにおけるせん断希釈および高粘度の主要な微視的起源を明らかにした。

ABSTRACT

The microscopic deformation mechanism of charged colloidal glasses with extended-range interactions under shear is investigated by in-situ small-angle neutron scattering, and a dynamically correlated region (DCR) is identified. This short-lived region provides the resistance to the configurational rearrangement imposed by the external deformation, as evidenced by the evolution of the size of DCR in the shear thinning regime and the quantitative agreement between the local stress sustained by DCR and the macroscopic stress from rheological measurements at low and mediate shear rates. This finding suggests that DCR is an important quantity for microscopically addressing the flow and deformation behavior of strongly interacting colloids.

研究の動機と目的

• せん断下における charged colloidal glasses の微視的変形メカニズムを調査し、長距離粒子間相互作用の果たす役割に焦点を当てる。
• 構造的再配置に対する抵抗を引き起こす要因である動的に相関する領域(DCR)を同定・特徴づける。
• DCR 内の局所的応力と rheometry で測定されたマクロな応力との間の定量的関係を確立する。
• 粒子間ポテンシャルが非線形流れの性質、特にせん断希釈および粘度増大に与える影響を明確にする。
• さまざまなせん断速度における変形不均一性の進化を、DCR のサイズと運動の動態を通じて探求する。

提案手法

• せん断中のコロイド懸濁液に対してイン・サイト小角中性子回折(SANS)を実施し、空間的構造および動的不均一性をプローブする。
• 2 種類の系で定常せん断 rheometry を実施した：長距離静電的反発力を持つ charged colloid と、短距離反発力のみを有する hard-sphere 懸濁液。
• 流れ速度勾配面および流れ渦度面における SANS スペクトルを比較し、局所的変形を示す異方的回折パターンを検出する。
• DCR を、数個の粒子径にわたる空間的領域として定義し、その中で粒子がせん断下でも近接関係を維持する、一貫した弾性的変形を示すものとする。
• DCR 内の微視的応力を $\sigma_{DCR} = G'\gamma_M$ として計算した。ここで $G'$ は局所的弾性率、$\gamma_M$ は DCR 内の最大せん断ひずみである。
• DCR のサイズとせん断速度および Péclet 数との相関関係を評価し、変形不均一性の進化とせん断希釈との関係を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離静電的ポテンシャルは、せん断下の charged colloidal glasses の微視的変形メカニズムにどのように影響を与えるか？
• RQ2 動的に相関する領域(DCR)の空間的範囲と、せん断下での構造的再配置に対する抵抗における機械的役割は何か？
• RQ3 DCR が保持する応力は、rheometry で測定されたマクロなせん断応力とどの程度定量的に一致するか？
• RQ4 DCR のサイズは、せん断速度の増加に伴いどのように変化するか？ これにより、変形不均一性およびせん断希釈にどのような含意が生じるか？
• RQ5 どのせん断速度で DCR が機械的応答を支配しなくなり、その代わりにどのようなメカニズムが支配的になるか？

主な発見

• 長距離静電的反発力によって支えられる、数個の粒子径にわたる動的に相関する領域(DCR)が、せん断された charged colloidal glasses に同定された。
• DCR のサイズは、せん断速度の増加に伴い減少し、変形不均一性が低下する傾向を示し、せん断希釈挙動と整合的である。
• DCR 内の微視的応力 ($\sigma_{DCR}$) は、低〜中程度のせん断速度域 ($Pe \leq 1$, $\dot{\gamma} \leq 10\,\text{s}^{-1}$) で、rheometry によるマクロなせん断応力 ($\sigma_{CC}$) と定量的に一致した。
• DCR は、トポロジカルな再配置を抵抗する局所的弾性障壁として機能し、その結果、低・中程度のせん断速度域で hard-sphere と比較して、charged colloid における顕著な高粘度が説明された。
• 高せん断速度域 ($Pe \gg 1$) では、$\sigma_{DCR}$ と $\sigma_{CC}$ の間に乖離が生じ、流体力学的効果が支配的となり、DCR が制御的役割を失うことが示された。
• hard-sphere 懸濁液では、$g_2^{-2}(r)$ と $-r dg(r)/dr$ の不一致によって、局所的変形の整合性の欠如が確認され、DCR の不在が裏付けられ、長距離相互作用の特異的役割が明確になった。