[論文レビュー] The physics of dense suspensions

Christopher Ness, Ryohei Seto+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Advanced Materials and Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

本レビューでは、ジャミング転移に注目することで、密なスラリーにおける粒子スケールの物理学とマクロな流れの性質を統一的な枠組みで結びつける。ジャミング転移においては、応力に依存する臨界体積分率 φJ に近づくことで流れの挙動が支配され、この視点により多様な非ニュートン流動現象を一貫して解釈でき、非平衡統計力学に基づく予測可能な連続体モデルの構築に道を開く。

ABSTRACT

Dense suspensions of particles are relevant to many applications and are a key platform for developing a fundamental physics of out-of-equilibrium systems. They present challenging flow properties, apparently turning from liquid to solid upon small changes in composition or, intriguingly, in the driving forces applied to them. The emergent physics close to the ubiquitous jamming transition (and to some extent the glass and gelation transitions) provides common principles with which to achieve a consistent interpretation of a vast set of phenomena reported in the literature. In light of this, we review the current state of understanding regarding the relation between the physics at the particle scale and the rheology at the macroscopic scale. We further show how this perspective opens new avenues for the development of continuum models for dense suspensions.

研究の動機と目的

• ジャミング転移の観点から、密なスラリーにおける多様な流れの挙動を統一的に理解すること。
• 非平衡系における微視的粒子スケールの物理学とマクロな流れ応答を橋渡しすること。
• 応力に依存するジャミング転移および粒子接触力が流れの転移をどのように支配するかを特定すること。
• 経験的アプローチを越えた複雑なスラリーの挙動を捉える連続体モデルの基盤を構築すること。
• 非理想粒子、非ニュートン性溶媒、自由表面効果といった、密なスラリーのモデリングにおける未解決課題を強調すること。

提案手法

• 固体体積分率 φ が応力に依存する臨界値 φJ に近づくジャミング転移を、臨界点として分析すること。
• マクロな応力と粒子スケールの連絡数および慣性数 J の関係を記述する μ(J) 流動則フレームワークを用いること。
• 特に摩擦のない球体に対して、ジャミングへの近接度を記述する統計力学的原則を適用すること。
• 摩擦および粗さレベルの相互作用を含む粒子接触物理学をマクロモデルに組み込むこと。
• 流体力学的効果および境界条件、特に毛細管力と曲率が寄与する自由表面の役割を統合すること。
• ジャミング付近での粒子スケールの制約および変形を考慮した有効な連続体モデルを構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 φJ で定義されるジャミング転移への近接度が、密なスラリーのマクロな流れの性質をどのように支配するか？
• RQ2 μ(J) 流動則フレームワークは、非球形、多分散的、または剛性でない粒子を有するスラリーへどのように拡張可能か？
• RQ3 特に少数の粗さを持つ場合に、粒子スケールの接触力がジャミング転移および流れの挙動に与える影響は何か？
• RQ4 自由表面は、特に界面の曲率と毛細管力の観点から、密なスラリーの流れにどのような役割を果たすか？
• RQ5 連続体モデルは、弾性構造および非ニュートン性溶媒を含む密なスラリーにどのように適合可能か？

主な発見

• 応力に依存する臨界体積分率 φJ におけるジャミング転移は、密なスラリーにおける可逆的液体〜固体転移を理解する統一的原則を提供する。
• μ(J) 流動則モデルは、慣性数 J とジャミングへの近接度を関係付けることで、マクロな流れ挙動を効果的に捉えている。
• 摩擦および接触力学を含む粒子スケールの物理学は、流れの応答に顕著な影響を及ぼし、連続体モデルに組み込む必要がある。
• 自由表面は、スケーリングが 1/a に比例する毛細管力のため、流れのダイナミクスに顕著な影響を及ぼし、ミクロンスケールでの界面不安定性および粒子変形を引き起こす。
• フラッピーモードおよび統計力学に基づく理論的枠組みは、現在のところ摩擦のない球体に限定されており、摩擦を含むモデリングにおける主要なギャップを示している。
• 非ニュートン性溶媒は、ジャミング付近での幾何的要因に影響を受ける有効な局所せん断速度を介してモデル化可能であり、一般化されたモデルへの道筋を示唆している。