[論文レビュー] Flow behavior of colloidal rod-like viruses in the nematic phase

M. P. Lettinga, Zvonimir Dogic+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2005

Liquid Crystal Research Advancements被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、せん断下におけるネマチック相におけるモノドスポルスなコロイド的fdウイルスの流れの挙動を、一時的レオロジーおよびイン・スイットゥ・マイクロスコピーを用いて、タービング、ワギング、フローアライニング状態の間の遷移を調査した。結果は、配向パラメータでスケーリングした場合、ドイ・エドワーズ・ヘス理論と優れた定量的整合性を示し、ロッドの半柔軟性および表面電荷を考慮しても、硬いロッド系に対するその予測能力が裏付けられた。

ABSTRACT

The behavior of a colloidal suspension of rod-like {\it fd} viruses in the nematic phase, subjected to steady state and transient shear flows is studied. The monodisperse nature of these rods combined with relatively small textural contribution to the overall stress make this a suitable model system to investigate the effects of flow on the non-equilibrium phase diagram. Transient rheological experiments are used to determine the critical shear rates at which director tumbling, wagging and flow-aligning occurs. The present model system enables us to study the effect of rod concentration on these transitions. The results are in quantitatively agreement with the Doi-Edwards-Hess model. Moreover, we observe that there is a strong connection between the dynamic transitions and structure formation, which is not incorporated in theory.

研究の動機と目的

• コロイド的ネマチック相における動的流れの遷移（タービング、ワギング、フローアライニング）の濃度およびせん断速度依存性を調査すること。
• ロッド状ウイルス懸濁液における全体的なレオロジカル応答へのテクスチャ的応力の寄与を評価すること。
• 明確に特徴づけられたモデル系における非平衡挙動について、ドイ・エドワーズ・ヘス（DEH）理論の予測能力を検証すること。
• 動的遷移とマイクロ構造的進化（例えば、せん断バンド）との関係を調査すること。
• ロッドの柔軟性および電荷を配向パラメータを用いて補正した場合、DEH理論が実験結果を定量的に記述できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 流れの逆転を用いた一時的レオロジー実験を実施し、時間依存応答を調査し、動的遷移の臨界せん断速度を特定すること。
• せん断下でのイン・スイットゥ・マイクロスコピーを用いて、マイクロ構造的変化（せん断バンド、配向子の再配列など）を可視化すること。
• 流れ停止後の定常状態の粘度および緩和挙動を測定し、応力寄与要因と構造的回復を評価すること。
• ドイ・エドワーズ・ヘス（DEH）理論を用いて、せん断下におけるロッドの配向分布関数の時間的変化をモデル化すること。
• イソトロープ・ネマチック転移からの配向パラメータを用いて実験データをスケーリングし、適合パラメータなしで理論と比較すること。
• 応力テンソルの分解を分析し、特に高濃度域における分子的およびテクスチャ的寄与を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロッド濃度は、fdウイルス懸濁液におけるタービング〜ワギングおよびワギング〜フローアライニング遷移の臨界せん断速度にどのように影響するか？
• RQ2 テクスチャ的寄与（例：欠陥、ドメイン境界）は、fdウイルスネマチック懸濁液のレオロジカル応答にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 ドイ・エドワーズ・ヘス理論は、半柔軟性・帯電ロッド系において観察された動的遷移をどれほど正確に予測できるか？
• RQ4 動的遷移とせん断バンドや配向秩序といったマイクロ構造的特徴との関係は何か？
• RQ5 適合パラメータなしで、実験データを配向パラメータをスケーリング変数として用いてDEH理論に定量的に一致させられるか？

主な発見

• タービング〜ワギングおよびワギング〜フローアライニング遷移の実験的臨界せん断速度は、配向パラメータでスケーリングした場合、ドイ・エドワーズ・ヘス理論と優れた定量的整合性を示した。
• テクスチャ的応力の全応力に与える寄与は最小限であり、応力スケーリングの欠如および一時的応答におけるペクレ数スケーリングの優位性から裏付けられた。
• タービング〜ワギング遷移において、粘度に局所的な最大値が観察されたが、これはDEH理論では説明できない可能性があり、構造的再編成に関連すると考えられる。
• マイクロスコピーにより、高濃度域で巨視的せん断バンドが形成されていることが判明し、これは流れの逆転応答における振動的特徴の消失と一致した。
• 動的遷移は構造的進化と強く相関しており、マイクロ構造的変化が現在の均一系DEH理論の範囲外にある重要な役割を果たしている可能性を示唆した。
• ロッドの半柔軟性および表面電荷を考慮しても、配向パラメータをスケーリング変数として用いることで、DEH理論は動的挙動を正確に捉えており、硬いロッド系に対するモデルの頑健性が裏付けられた。