[논문 리뷰] Ageing under oscillatory stress: Role of energy barrier distribution in soft glassy materials

Asheesh Shukla, Yogesh M. Joshi|arXiv (Cornell University)|2008. 06. 26.

Material Dynamics and Properties인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 진동하는 응력 하에서 라포니트 분산계의 노화를 조사하여, 변형률에 의해 잠재 에너지 장벽이 강화되어 점도, 변형률, 노화 간 피드백 루프가 발생함을 밝혀냈다. 그 결과, 얕은 움직임에서 입자가 선택적으로 소실되면서 탄성 및 점성 모odulus가 갑작스럽게 응력에 따라 증가하는 현상이 발생하며, 깊은 움직임에서는 장시간에 걸친 노화가 지속된다. 염소에 의한 미세구조 변화는 장벽 높이 분포와 노화 역학을 크게 변화시킨다.

ABSTRACT

In this work the ageing dynamics of soft solids of aqueous suspension of laponite has been investigated under the oscillatory stress field. We observed that at small stresses elastic and viscous moduli showed a steady rise with the elastic modulus increasing at a faster rate than the viscous modulus. However at higher stresses both the moduli underwent a sudden rise by several orders of magnitude with the onset of rise getting shifted to a higher age for a larger shear stress. We believe that the observed behavior is due to interaction of barrier height distribution of the potential energy wells in which the particle is trapped and strain induced potential energy enhancement of the particles. Strain induced in the material causes yielding of the particles that are trapped in the shallower wells. Those trapped in the deeper wells continue to age enhancing the cage diffusion timescale and thereby the viscosity which lowers the magnitude of strain allowing more particles to age. This coupled dependence of strain, viscosity and ageing causes forward feedback for a given magnitude of stress leading to sudden rise in both the moduli. Changing the microstructure of the laponite suspension by adding salt affected the barrier heights distribution that showed a profound influence on the ageing behavior. Interestingly, this study suggests a possibility that any apparently yielded material with negligible elastic modulus, may get jammed at a very large waiting time.

연구 동기 및 목표

• 진동 응력이 라포니트 분산계와 같은 연성 거친 물질의 노화 역학에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 잠재 에너지 움직임의 에너지 장벽 분포가 노화 중 기계적 거동에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 변형률에 의해 유도된 잠재 에너지 강화가 점도, 변형률, 노화 간 피드백 메커니즘을 어떻게 이끌어내는지 탐구하는 것.
• 염소 첨가로 유도된 미세구조 변화가 장벽 높이 분포와 노화 행동에 미치는 영향을 검토하는 것.
• 유연 모odulus가 극히 낮은 물질이 장기간 대기 후 결국 재결합할 수 있는지 여부를 규명하는 것.

제안 방법

• 노화 역학을 탐색하기 위해 수성 라포니트 분산계에 진동 응력을 적용하는 것.
• 다양한 응력 진폭에서 시간에 따라 변화하는 탄성 및 점성 모odulus를 측정하는 것.
• 입자가 갇힌 잠재 에너지 움직임의 에너지 장벽 분포를 분석하는 것.
• 변형률에 의해 잠재 에너지 움직임이 강화되는 모델링을 통해 얕은 함정에 갇힌 입자들이 선택적으로 소실되는 현상을 설명하는 것.
• 염소 첨가를 통해 미세구조를 수정하고 에너지 장벽 높이 분포를 변화시키는 것.
• 시간 해상도를 가진 점탄성 측정을 통해 점도, 변형률, 노화 간 피드백를 관찰하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동 응력은 라포니트 분산계에서 노화 중 탄성 및 점성 모odulus의 변화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 에너지 장벽 높이 분포가 응력 하에서 모odulus 증가의 시작 시점과 크기에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 변형률에 의해 유도된 잠재 에너지 강화는 점도, 변형률, 노화 간 피드백 루프를 어떻게 이끌어내는가?
• RQ4 염소 첨가에 의한 미세구조 수정은 에너지 장벽 분포와 노화 행동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 탄성 모odulus가 극히 낮아 보이는 물질이 장시간 대기 후 결국 재결합할 수 있는가?

주요 결과

• 낮은 응력에서 탄성 및 점성 모odulus는 둘 다 점진적으로 증가하였으며, 탄성 모odulus의 증가 속도가 점성 모odulus보다 빠르게 나타났다.
• 높은 응력에서 두 모odulus는 갑작스럽게 수십 배 이상 증가하였으며, 높은 비틀림 응력일수록 이 증가의 시작 시점이 더 늦어졌다.
• 관찰된 행동은 피드백 루프에 기인한다: 변형률은 얕은 함정에 갇힌 입자를 소실시키지만, 깊은 함정에 갇힌 입자들은 계속 노화를 겪으며 점도를 증가시키고 변형률을 감소시켜 더 많은 입자들이 노화할 수 있도록 한다.
• 염소 첨가로 인해 미세구조가 변화하였고, 이로 인해 에너지 장벽 높이 분포가 수정되었으며, 이는 노화 역학에 심각한 영향을 미쳤다.
• 이 연구는 유연 모odulus가 극히 낮은 물질도 충분히 긴 대기 시간 후에 결국 재결합할 수 있음을 시사하며, 이는 보이지 않는 상태에서 장기적 복구 가능성을 시사한다.