[論文レビュー] Interfacial colloidal monolayers under steady shear: structure and flow profiles

Ivo Buttinoni, Zachary A. Zell+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2015

Material Dynamics and Properties参考文献 1被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、回転するマイクロディスクを用いて定常せん断を加えることで、水/油界面における二次元バイナリコロイド単層のせん断誘発構造化を調査した。粒子は位置依存のせん断率により、大小の粒子が交互に配置された同心円環状構造を形成する。これに伴い、ディスク付近では連続的流れ、外側では間歇的ホッピングという明確な力学的状態が観察され、局所的粘度および力学的応答と関連している。本研究は、2次元ソフト物質系において、微視的動的挙動、構造、およびマクロな流れの性質の直接的な結合を示した。

ABSTRACT

We study the coupling between the structural dynamics and rheological response of charged colloidal monolayers at water/oil interfaces, driven into steady shear by a microdisk rotating at a controlled angular velocity. The flow causes particles to layer into rotating concentric rings linked to the local, position-dependent shear rate, which triggers two distinct dynamical regimes: particles move continuously "Flowing") close to the microdisk, or exhibit intermittent "Hopping" between local energy minima farther away. The shear-rate dependent surface viscosity of a monolayer can be extracted from an interfacial stress balance, giving "macroscopic" flow curves whose behavior corresponds to the distinct microscopic regimes of particle motion. Hopping Regions correspond to a surface yield stress $η\sim τ_S^Y \dotγ^{-1}$, whereas Flowing Regions exhibit surface viscosities with power-law shear-thinning characteristics.

研究の動機と目的

• 流体界面に存在するバイナリコロイド単層が定常せん断の下でどのように再構築されるかを理解すること。
• 2次元ソフト材料における粒子スケールの動的挙動、局所的構造、およびマクロな機械的応答との結合を調査すること。
• せん断下における局所的粒子運動と空間的配置が、どのように界面粘度を生じさせるかを特定すること。
• せん断されたコロイド単層における連続的流れと間歇的ホッピングの状態遷移を探索すること。
• 2次元コロイド系において、微視的動的挙動とマクロな rheology 的挙動との関係を確立すること。

提案手法

• 実験では、制御された角速度で回転するマイクロディスクを用いて、水/デカン酸界面に存在するコロイド単層に定常せん断を加えた。
• ポリスチレン球（直径4 µmおよび1 µm）のバイナリ混合物を界面に展開し、緩いパッケージングで非平衡状態の単層を形成した。
• 共焦点顕微鏡を用いて、界面全域における粒子の位置と動的挙動をリアルタイムで可視化した。
• 界面速度プロファイルを測定し、局所的せん断率を抽出するとともに、局所的界面応力バランスを用いて表面せん断粘度を計算した。
• 面積分率と回転速度を変化させることで、構造的・動的・ rheological 変化をマップした。
• 局所的エネルギー障壁とせん断率に基づき、流れとホッピングの状態遷移を解釈するための最小限の理論モデルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体界面におけるバイナリコロイド単層が定常せん断の下でどのように構造的に再組織化されるか。
• RQ2 2次元単層における粒子スケールの動的挙動（流れ vs. ホッピング）と局所的せん断率との関係は何か。
• RQ3 単層の機械的応答（表面粘度）は、位置とせん断率にどのように依存するか。
• RQ4 せん断されたコロイド単層における構造的整列（リング形成）とエネルギー散逸との関係は何か。
• RQ5 異なる動的状態（流れている vs. ホッピングしている）は、マクロな流れ曲線および界面 rheology とどのように対応するか。

主な発見

• 粒子は、位置依存のせん断率により、回転するマイクロディスクの周囲に大小の粒子が交互に配置された同心円環状構造を形成する。
• マイクロディスクに近い領域では、粒子が連続的流れを示し、散逸が低減され、表面粘度においてせん断薄体的挙動に対応する。
• ディスクから離れるにつれて、粒子は局所的エネルギー極小点間の間歇的ホッピングに移行し、流れに対する抵抗が増加し、散逸も増加することが示された。
• 速度プロファイルから抽出した表面粘度は、面積分率に依存するマスターフロー曲線に一致し、微視的動的挙動とマクロな rheological 応答との関連を裏付けた。
• 流れ状態とホッピング状態の遷移は、外部の制御パラメータではなく、物質固有の性質に一致する臨界せん断率で発生した。
• 本研究は、2次元コロイド系において、局所的粒子動的挙動、界面構造、およびマクロな rheology の間の直接的かつ定量的な関連を示した。