[論文レビュー] Observation of spatially heterogeneous dynamics in a drying colloidal thin film

Pavel Zakharov, Frank Scheffold|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2007

Nonlinear Dynamics and Pattern Formation参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、空間的に不均一な動的挙動を約10 µm解像度でマッピングするスプライクルベースの光学的手法を導入する。入射スプライクルビームを変調し、画素単位の構造関数係数を分析することで、乾燥過程における膜全体の表面で、リアルタイムかつアンサンブル平均の動的活動を明らかにし、集団的粒子運動の前例のない空間的マッピングを可能にする。

ABSTRACT

We report on a new type of experiment that enables us to monitor spatially and temporally heterogeneous dynamic properties in complex fluids. Our approach is based on the analysis of near-field speckles produced by light diffusely reflected from the superficial volume of a strongly scattering medium. By periodic modulation of an incident speckle beam we obtain pixel-wise ensemble averages of the structure function coefficient, a measure of the dynamic activity. To illustrate the application of our approach we follow the different stages in the drying process of a colloidal thin film. We show that we can access ensemble averaged dynamic properties on length scales as small as ten micrometers over the full field of view.

研究の動機と目的

• 複雑な流体における動的不均一性の空間的分解能測定法の開発を目的とする。
• 空間的に変化する動的挙動を捉えるために、従来のボリューム平均またはポイントプローブ技術の限界を克服することを目的とする。
• 強い動的不均一性を示す系として、乾燥中のコロイド薄膜を対象としてこの手法を応用することを目的とする。
• 全視野にわたる動的マッピングにおいて、10 µm未満の空間分解能を達成することを目的とする。

提案手法

• 強い散乱性を示すコロイド薄膜表面からの近場スプライクルを用いる。
• 入射スプライクルビームに周期的な変調を加え、時間分解能を有する強度揺動を抽出する。
• 構造関数係数の画素単位のアンサンブル平均を計算し、動的活動の定量的指標とする。
• 全フィールドイメージング法を用いて、試料全体の領域で空間的分解能を持つ動的マップを取得する。
• スプライクル強度の変動の統計的解析に依存し、局所的な粒子移動性および集団的動的挙動を推定する。
• コロイド薄膜の乾燥過程における動的進化の観察により、手法の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乾燥中のコロイド薄膜における動的不均一性を、高空間分解能でどのようにマッピングできるか？
• RQ2 乾燥の異なる段階において、膜表面における動的活動の空間的分布はどのように変化するか？
• RQ3 スプライクルベースのイメージングは、不均一で強い散乱性を示す媒体において、10 µm未満スケールの動的性質を解像できるか？
• RQ4 溶媒蒸発の過程で、動的活動は時間的および空間的にどのように変化するか？
• RQ5 この手法は、複雑な流体系における集団的粒子運動をどの程度正確に捉えることができるか？

主な発見

• 本手法は、乾燥中のコロイド薄膜における動的不均一性を、空間分解能約10 µmまで成功裏にマッピングした。
• 動的活動は膜表面全体で顕著に変動しており、乾燥過程における強い空間的不均一性を示している。
• 本手法により、試料全体の領域で、全フィールドかつリアルタイムでのアンサンブル平均動的特性のモニタリングが可能となった。
• 構造関数係数は、局所的動的活動を画素単位で定量的に測定する指標として有効である。
• 乾燥過程の異なる段階で、明確に異なる動的領域が同定された。
• 従来の動的光散乱法が適用できない、強い散乱性を示す複雑な流体に対しても、本手法は有効である。