[論文レビュー] Unifying disparate experimental views on shear-thickening suspensions.

Philippe Bourrianne, Vincent Niggel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2020

Granular flow and fluidized beds参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、モデル系において粒子表面化学と粗さを独立に調整することで、せん断忾化懸濁液における流体力学的力と粒子摩擦の役割を実験的に解体した。水素結合が不連続せん断忾化（DST）を可能にする必要不可欠な要因であることが示され、一方で表面化学と粗さの両方が連続せん断忾化（CST）を支配しており、一定体積分率における粒子混合物を用いることで、せん断忾化転移を精密に制御可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

Shear thickening denotes the rapid and reversible increase in viscosity of a suspension of rigid particles under external shear. This ubiquitous phenomenon has been documented in a broad variety of multiphase particulate systems, while its microscopic origin has been successively attributed to hydrodynamic interactions and frictional contact between particles. The relative contribution of these two phenomena to the magnitude of shear thickening is still highly debated and we report here a discriminating experimental study using a model shear-thickening suspension that allows us to tune independently both the surface chemistry and the surface roughness of the particles. We show here that both properties matter when it comes to continuous shear thickening (CST) and that the presence of hydrogen bonds between the particles is essential to achieve discontinuous shear thickening (DST) by enhancing solid friction between closely contacting particles. Moreover, a simple argument allows us to predict the onset of CST, which for these highly-textured particles occurs at a critical volume fraction much lower than that previously reported in the literature. Finally, we demonstrate how mixtures of particles with opposing surface chemistry make it possible to finely tune the shear-thickening response of the suspension at a fixed volume fraction, paving the way for a fine control of shear-thickening transition in engineering applications.

研究の動機と目的

• せん断忾化における流体力学的力と粒子摩擦のどちらが支配的であるかという長年の論争を解消すること。
• 表面化学と表面粗さの個別的寄与を連続的せん断忾化（CST）および不連続的せん断忾化（DST）に分離して実験的に特定・定量すること。
• DSTに不可欠な強い粒子間摩擦を実現するための水素結合の重要な役割を特定すること。
• 高テクスチャード粒子における連続的せん断忾化の開始を予測する基準を確立すること。
• 一定体積分率で相反する表面化学を有する粒子の混合物を用いて、せん断忾化挙動をチューニングできることを実証すること。

提案手法

• 表面化学と粗さを独立に制御可能な粒子を用いたモデルせん断忾化懸濁液を用い、表面修飾およびテクスチャリングにより制御した。
• 一定せん断速度下で流動測定を実施し、粘度の変化とCSTおよびDSTの転移点を特定した。
• 疎水性（例：-CH3）および親水性（例：-OH）官能基を用いて表面化学を調整し、粒子間相互作用を制御した。
• エッチングやコーティング技術を用いて表面粗さを体系的に変化させ、粒子接触力学を変化させた。
• 粒子のジャミングと摩擦接触に基づく理論的議論を用いて、連続的せん断忾化の開始を予測した。
• 親水性と疎水性の相反する表面化学を有する粒子の混合物を調製し、一定体積分率におけるせん断忾化応答のチューナビリティを検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体力学的相互作用と粒子摩擦の両方が、懸濁液におけるせん断忾化に与える相対的寄与は何か？
• RQ2 表面化学と表面粗さは、連続的せん断忾化（CST）の開始および大きさにどのように独立して影響を与えるか？
• RQ3 水素結合は、不連続的せん断忾化（DST）を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ4 粒子のテクスチャーや粒子間力に基づいて、連続的せん断忾化の開始を予測できるか？
• RQ5 一定体積分率で相反する表面化学を有する粒子を混合することで、せん断忾化転移をどの程度チューニングできるか？

主な発見

• 粒子間の水素結合が、密着状態における固体的摩擦を強化するため、不連続的せん断忾化（DST）を達成するために不可欠である。
• 表面化学と表面粗さの両方が連続的せん断忾化（CST）に顕著な影響を及ぼし、両者の組み合わせにより、従来報告されたよりも低い臨界体積分率でCSTの開始が可能になる。
• 高テクスチャード粒子では、CSTの開始が滑らかで相互作用が弱い系と比較して顕著に低い臨界体積分率で発生する。
• 親水性と疎水性の相反する表面化学を有する粒子の混合物は、一定体積分率でせん断忾化応答を微調整可能である。
• 粒子のジャミングと摩擦接触に基づく単純な理論的議論が、テクスチャード系における連続的せん断忾化の開始を正確に予測できる。
• 本研究は、水素結合によって強化された摩擦的粒子接触が、不連続的せん断忾化の主要因であることを実験的に裏付けた。