[論文レビュー] Simultaneous measurement of extensional stress and flow birefringence field for uniaxially extending worm-like micellar solutions

Masakazu Muto, Tatsuya Yoshino+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2024

Surfactants and Colloidal SystemsChemistry被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、液体滴下法と高速偏光カメラを組み合わせた新しい rheo-optical 手法を提案し、一軸ひずみの発生するミセル状のマイセル溶液において、同時に延性応力と流れによる屈折率の変化を測定した。この手法により、ミセルの配向状態のリアルタイム可視化が可能となり、一軸ひずみとせん断流れの両状態で、同等の応力-屈折率係数を有する線形応力-屈折率則の妥当性が確認された。

ABSTRACT

The present study proposes a novel and simple rheo-optical technique to investigate the relation between the rheology of complex fluids and their internal structural deformation under uniaxial extensional flow. The macroscale results of viscoelasticity from rheological measurements and microscale results of birefringence from optical measurements are combined to evaluate the microstructural deformation and orientation state inside the fluids under extensional stress. The proposed technique combines a liquid dripping method with a high-speed polarization camera to measure the extensional stress and flow-induced birefringence field simultaneously. In the liquid dripping method, temporal evolution images of the liquid filament diameter for fluids dripping from a nozzle are measured to obtain the extensional stress loading on the liquid filament. These images are captured with a high-speed polarization camera connected to a micro polarization element alley, enabling high-speed imaging of the birefringent field. Worm-like micellar solutions of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and sodium salicylate (NaSal) with varying concentrations of CTAB and NaSal are employed as the measurement targets. Consequently, we successfully visualized temporally developing images of the birefringence field of uniaxially extending worm-like micellar solutions induced by the orientation of micelles toward the extensional direction. Furthermore, the proposed technique supports investigating the conditions for establishing the stress-optical rule, which is the linear relation between stress and birefringence for complex fluids. The stress-optical coefficient, a proportionality constant indicating the sensitivity of birefringence to stress, is analyzed from these measurements. The stress-optical coefficient under uniaxial extensional flow is confirmed to be comparable to that under shear flow.

研究の動機と目的

• 複雑流体において、マクロな延性応力とミクロな流れによる屈折率の変化を同時に測定可能な、シンプルで高分解能な rheo-optical 手法の開発。
• 一軸ひずみ流れ下におけるミセル状のマイセルの構造的変形および配向状態の解明。
• 延性応力下における応力-屈折率則の妥当性を、応力-屈折率係数の測定により検証すること。
• CTAB/NaSal 溶液におけるミセル濃度に伴う応力-屈折率係数の依存関係の調査。

提案手法

• ノズルから液体を滴下することで、ミセル状のマイセル溶液に一軸ひずみ流れを生成する液体滴下法を用いる。
• 液体繊維の直径変化の高速撮影により、時間的延性応力の負荷を捉える。
• マイクロ偏光素子アレイを備えた高速偏光カメラにより、流れによって誘発される屈折率の変化場をリアルタイムかつ高空間分解能で撮影する。
• 曲率に起因する散乱を避けるために、繊維の最小半径部における光強度のラインプロファイルを用いて、遅延遅れおよび配向角を抽出する。
• 測定された延性応力と屈折率の間の線形関係（δn = C(σ∥ − σ⊥)）から、応力-屈折率係数を計算する。
• CTAB および NaSal 濃度を変化させた溶液を用いて、応力-屈折率係数の濃度依存性を検証する。

Figure 1: Birefringence induced by a change in the orientation state of worm-like micelles under stress loading. Without stress loading, the worm-like micelles in the solutions have random orientations in the coil state; thus, flow-induced birefringence does not occur. When applying stress to the so

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一軸ひずみの発生するミセル状のマイセル溶液において、時間的・空間的分解能を高くした状態で、延性応力と流れによる屈折率の変化を同時に測定可能か？
• RQ2 一軸ひずみ流れ下でも応力-屈折率則は成立するか？その際の応力-屈折率係数の値は何か？
• RQ3 CTAB/NaSal 溶液における応力-屈折率係数は、一軸ひずみ流れとせん断流れの両状態でどのように比較できるか？
• RQ4 ミセル状のマイセルの濃度に応じて、応力-屈折率係数はどのように変化するか？

主な発見

• 提案手法により、一軸ひずみの発生するミセル状のマイセル溶液の時間的に変化する屈折率の変化場が明確に可視化され、ミセルがひずみ方向に配向していることが示された。
• 延性応力と屈折率の間に線形関係が観察され、一軸ひずみ流れ下でも応力-屈折率則の妥当性が確認された。
• 一軸ひずみ流れ下における応力-屈折率係数の大きさは、せん断流れ下と同等であり、流れの種別にかかわらず屈折率の応力に対する感受性が一貫していることを示した。
• CTAB/NaSal 溶液の応力-屈折率係数は CTAB 濃度に依存しており、溶液内に存在するミセル総量に依存していることが示された。
• 滴下液繊維の破断時間は、CTAB/NaSal 濃度が高くなるにつれて延長し、構造的安定性の向上と延長された応力負荷が関連していることが示された。
• 倍率に応じた測定領域の最適化により、一定の光強度プロファイルを持つ領域を選択することで、曲率に起因する誤差を最小限に抑え、正確な測定を実現した。

Figure 2: Conditions of index ellipsoids under (a) shear and (b) uniaxial extensional flows. Here, the major axis ( $n_{\perp}$ ) and minor axis ( $n_{\parallel}$ ) of refractive indices in the index ellipsoid correspond to $n_{y}$ and $n_{x}$ , respectively. $x,y,z$ denote the coordinate system bas