[論文レビュー] Effect of adhesive interaction on strain stiffening and dissipation in granular gels undergoing yielding

Sebanti Chattopadhyay, Sharadhi Nagaraja+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2022

Granular flow and fluidized beds参考文献 69被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、振動 rheology と in-situ 光学イメージングを用いて、接着性を持つ粒子凝集体の応力硬化およびエネルギー散逸を調査し、粒子間接着が非線形流れの挙動を支配することを明らかにした。著者らは、全範囲の応力振幅と体積分率に対して非線形散逸データを統合するための次元なし正規化エネルギー散逸（EN）変数を導入した。また、粒子沈降実験により、臨界ジャミング体積分率を直接測定し、接着性粒子凝集体の破壊挙動の包括的相図の構築に成功した。

ABSTRACT

Stress induced yielding/fluidization in disordered solids, characterized by irreversibility and enhanced dissipation, is important for a wide range of industrial and geological processes. Although, such phenomena in thermal systems have been extensively studied, they remain poorly understood for granular solids. Here, using oscillatory shear rheology and in-situ optical imaging, we study energy dissipation in a dense granular suspension of adhesive particles that forms yield stress solids far below the isotropic jamming point obtained in the limit of hard-sphere repulsion. We find interesting non-linear flow regimes including intra-cycle strain stiffening and plasticity that strongly depend on the applied strain amplitude ($\gamma_0$) and particle volume fraction ($\phi$). We demonstrate that such nonlinearity over the entire parameter range can be effectively captured by a dimensionless variable termed as the normalized energy dissipation ($E_N$). Furthermore, in-situ optical imaging reveals irreversible particle rearrangements correlating with the spatiotemporal fluctuations in local velocity, the nature of which strikingly varies across the yielding transition. By directly measuring the critical jamming packing fractions using particle settling experiments, we propose a detailed phase diagram that unravels the role of inter-particle interactions in controlling the flow properties of the system for a wide range of $\gamma_0$ and $\phi$ values.

研究の動機と目的

• 密度の高い粒子凝集体系における破壊挙動の非線形力学的応答とエネルギー散逸に及ぼす接着性相互作用の役割を理解すること。
• 接着性を有する非ブラウン運動粒子凝集体における応力硬化および局所化の起源を特定すること。
• in-situ イメージングを用いて、マクロな rheological 行動と局所的な粒子スケールの運動の間の定量的関係を確立すること。
• 粒子沈降実験による直接測定により、接着性粒子凝集体系の臨界ジャミング体積分率を特定すること。
• 応力振幅と粒子体積分率の関数として、破壊挙動の詳細な相図を構築すること。この相図には接着性相互作用を組み込んだものである。

提案手法

• 応力振幅（γ₀）と体積分率（φ）を変化させた範囲で、複素弾性率（G′, G′′）および高調波応答を測定するために、振動せん断 rheology を用いた。
• 破壊過程中の空間的・時間的粒子再配置および速度フラクチュエーションを可視化するため、in-situ 共焦点光学イメージングを実施した。
• 重力および遠心力の下での粒子沈降実験を用い、沈降した床の体積とランダム密 Packing（φrcp）を比較することで、臨界ジャミング体積分率（φJ）を直接測定した。
• 粒子径と体積比のマススケーリング関係を用いて、沈降床の3次元フラクタル次元（df）を計算し、多孔質で接着性のあるネットワーク構造を反映した。
• 全γ₀およびφ値において非線形散逸データを統合するため、次元なし正規化エネルギー散逸（EN）変数を導入した。
• 応力対ひずみのリサジュー図を分析し、応力硬化および塑性変形の特徴を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接着性相互作用は、振動せん断下における密度の高い粒子凝集体の応力硬化およびエネルギー散逸にどのように影響するか？
• RQ2 粒子体積分率（φ）と応力振幅（γ₀）は、接着性粒子凝集体系における破壊の発生および性質を決定づけるか？
• RQ3 全φおよびγ₀範囲において非線形流れ挙動を捉える普遍的なスケーリング変数は存在するか？
• RQ4 局所的な粒子再配置および速度フラクチュエーションは、マクロなエネルギー散逸および破壊遷移とどのように相関するか？
• RQ5 接着性粒子凝集体系の臨界ジャミング体積分率（φJ）は何か？ また、それは系の rheological 応答をどのように支配するか？

主な発見

• 正規化エネルギー散逸（EN）は、全測定γ₀およびφ値において非線形散逸データを統合するのに成功し、普遍的なスケーリング行動を示している。
• 応力硬化および塑性変形は、非線形領域の主要な特徴であり、in-situ イメージングで観察された不可逆的粒子再配置は、局所的速度フラクチュエーションと相関していた。
• 粒子沈降実験により、臨界ジャミング体積分率（φJ）を直接測定した結果、トウモロコシデンプンをパラフィンオイルに分散させた系では φJ ≈ 0.02 であった。
• 詳細な相図が構築され、弾性応答、応力硬化、および流動化の明確な領域が示され、その遷移はφおよびγ₀によって支配されていた。
• 界面活性剤（c = 0.4%）の添加により、応力硬化が消失し、応力応答が低下した。これにより、接着性相互作用が非線形力学に果たす役割が確認された。
• 沈降床の3次元フラクタル次元（df）は、初期φが低下するにつれて減少し、低体積分率ではより多孔質で接着性の強いネットワーク構造が形成されていることが示された。