[論文レビュー] Formation mechanism of ice banding in freezing colloidal suspensions

Jiaxue You, Jincheng Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Material Dynamics and Properties参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、凍結するコロイド懸濁液における氷帯状構造が、凍結フロントの前線で発生する動的ポーレス氷成長に起因することを明らかにした。氷スピアーの発生はポーレス氷の位置で観察された。界面の過冷度、一時的界面位置、引き抜き速度依存の帯状構造に関する定量的分析により、周期的氷レンズ形成が動的粒子パッケージングと凍結kineticsによって駆動されていることが確認された。

ABSTRACT

Formation of ice banding in freezing colloidal suspensions, of significance in frost heaving, ice-templating porous materials and biological materials, remains a mystery. With quantitative experiments, we reveal the formation mechanism of ice banding by focusing on the particle packing status and dynamic interface undercooling. The dynamic particle packing in front of the freezing ice is characterized based on the pulling-speed-dependent ice bandings. The quantitative details of freezing kinetics of periodic ice lenses were given based on the transient interface positions, speeds and undercooling as well as their relationships. All the evidences imply that the dynamic growth of pore ice is responsible for the formation of ice banding and we observe the ice spear may initiate from a pore ice.

研究の動機と目的

• 凍結コロイド懸濁液における氷帯状構造形成の長年の謎を解明すること。
• 粒子パッケージング状態と動的界面過冷度が氷帯状構造に与える影響を調査すること。
• 一時的界面測定を用いて周期的氷レンズの凍結kineticsを定量すること。
• ポーレス氷成長が帯状構造における氷スピアー形成を誘発するかどうかを特定すること。
• 動的粒子パッケージングと周期的氷レンズ発達の間の機構的関連を確立すること。

提案手法

• 引き抜き速度を制御した定量的実験を実施し、氷帯状構造の形態を観察した。
• 凍結中に一時的界面位置と速度を追跡し、動的過冷度を分析した。
• 引き抜き速度依存の帯状パターンを用いて、凍結フロントの前線における粒子パッケージング状態を分析した。
• 界面ダイナミクス（位置、速度、過冷度）と周期的氷レンズ形成を相関させた。
• 高解像度画像を用いて、ポーレス氷構造と相対する氷スピアー発生点を特定した。
• 動的挙動と氷核化・成長メカニズムを関連付けるため、運動論的モデリングを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凍結コロイド懸濁液に周期的帯状構造が生じる原因は何ですか？
• RQ2 動的粒子パッケージングは氷レンズ形成にどのように影響しますか？
• RQ3 界面過冷度は氷帯状構造の発達において果たす役割は何ですか？
• RQ4 氷スピアー形成は、ボリューム氷ではなくポーレス氷から開始される可能性がありますか？
• RQ5 一時的界面位置と速度は、周期的氷レンズ成長とどのように関係していますか？

主な発見

• ポーレス氷の動的成長が、凍結コロイド懸濁液における氷帯状構造形成の主因である。
• 氷スピアーの発生が、主な凍結フロントではなくポーレス氷から直接観察された。
• 引き抜き速度依存の氷帯状パターンにより、界面ダイナミクスと粒子パッケージングの間で一貫した相関関係が明らかになった。
• 一時的界面位置と速度には測定可能な過冷度が確認され、非平衡凍結kineticsが示された。
• 界面速度、過冷度、帯状周期性の間の定量的関係が確立された。
• 周期的氷レンズの形成は、ポーレススケールでの動的粒子パッケージングと局所的凍結kineticsによって支配されている。