[논문 리뷰] Complex Fluids: The Physics of Emulsions

M. E. Cates|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 11.

Pickering emulsions and particle stabilization인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 유화제의 상분리, 계면 안정화, 중력 하에서의 유화 안정성에 중점을 두어 유화의 물리학을 이해하기 위한 이론적 프레임워크를 제시한다. 입자에 의한 안정화 유화에서의 임계 보드 수를 도입하여, 중성 적촉 성질을 가진 입자에서는 집합적 탈리(지각 모드)가 지배적이며, 비중성 접촉 역면에서는 케이스톤 파손이 발생함을 보여주며, 이 경우 Bo* 는 각각 N^{-1/2} 또는 N^{-1} 으로 척도가 맞춰진다.

ABSTRACT

These lectures start with the mean field theory for a symmetric binary fluid mixture, addressing interfacial tension, the stress tensor, and the equations of motion (Model H). We then consider the phase separation kinetics of such a mixture: coalescence, Ostwald ripening, its prevention by trapped species, coarsening of bicontinuous states, and the role of shear flow. The third topic addressed is the stabilization of emulsions by using surfactants to reduce or even eliminate the interfacial tension between phases; the physics of bending energy, which becomes relevant in the latter case, is then presented briefly. The final topic is the creation of long-lived metastable emulsions by adsorption of colloidal particles or nano-particles at the fluid-fluid interface; alongside spherical droplets, these methods can be used to create a range of unconventional structures with potentially interesting properties that are only now being explored.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 유체에서 유화 형성 및 안정화의 열역학적 및 동역학적 메커니즘을 설명하기 위해.
• 유화제와 콜로이드 입자가 표면 장력을 감소시키거나 영구적인 장벽을 형성하여 상분리를 방지하는 방식을 분석하기 위해.
• 중력에 의해 영향을 받는 입자에 의한 안정화 유화의 안정성, 특히 입자 탈리 메커니즘의 역할을 조사하기 위해.
• 콜로이드 입자 단층막으로 코팅된 방울에서 집합적 입자 탈리에 대한 임계 보드 수 Bo* 를 유도하고 해석하기 위해.
• 입자에 의한 안정화 유화에서 경쟁하는 파손 메커니즘인 케이스톤 및 지각 모드를 비교하고, 접촉 각도와 입자 수에 따른 의존성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 이분류 유체의 상분리 및 계면 동역학을 기술하기 위해 평균장 이론과 모델 H 를 사용한다.
• 곡면 기하학에서의 계면 에너지를 분석하기 위해 가우스-보네 정리와 굽힘 강성의 재규격화를 적용한다.
• 표면 장력과 접촉 각도 의존성에 기반한 탈리 에너지 임계값을 사용하여 입자 표면에의 부착을 모델링한다.
• 중력에 의한 당김과 계면 장력 간의 力의 균형을 고려하여, 케이스톤 및 지각 탈리 메커니즘을 모두 고려한 임계 보드 수 Bo* 를 유도한다.
• 척도 분석과 기하학적 근사(예: R ≈ aN^{1/2})를 사용하여 Bo* 가 입자 수 N 에 따라 어떻게 변화하는지 추정한다.
• 이론적 분석을 실험 및 시뮬레이션 데이터와 융합하여 다양한 접촉 각도에서의 예측을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유화제 존재 시 표면 장력은 어떻게 변화하며, 효과적으로 표면 장력이 0에 가까운 마이크로에멀전이 형성되는 조건은 무엇인가?
• RQ2 이중연속성 마이크로에멀전의 안정성은 무엇에 의해 결정되며, 그들의 분산화 방지 방법은 무엇인가?
• RQ3 입자에 의한 안정화 유화는 응집 및 오스트발트 리프닝에 어떻게 저항하며, 영구적 부착의 역할은 무엇인가?
• RQ4 곡면 방울에서 단층막으로 코팅된 입자 단층막의 탈리에 대한 임계 보드 수는 무엇이며, 이는 입자 수 N 과 어떻게 척도가 맞는가?
• RQ5 입자에 의한 안정화 유화에서 케이스톤 또는 지각 탈리 메커니즘이 지배적인가, 그리고 이는 접촉 각도에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 지각 모드에서 입자 탈리에 대한 임계 보드 수 Bo* 는 Bo* ∝ N^{-1/2} 로 척도가 맞춰지며, 이때 N 은 단층막 내 입자 수이다.
• 중성 적촉 성질을 가진 입자(θ = π/2)의 경우, 시뮬레이션 결과 지각 탈리가 지배적이며, Bo* 는 N^{-1/2} 으로 척도가 맞춰진다. 이는 등반선을 따라 집합적 실패가 발생하기 때문이다.
• 비중성 접촉 각도의 경우 케이스톤 메커니즘이 지배적이며, 한 개의 입자가 전체 하중을 떠받치므로 Bo* ∝ N^{-1} 으로 척도가 맞춰진다.
• bijel(이중연속성 상호연결 네트워크)의 탄성 모odulus 는 G ∼ γ / ξ 로 척도가 맞추어지며, 여기서 영역 크기 ξ ≈ a / φ_p 이다. 여기서 a 는 입자 크기이고 φ_p 는 체적 분율이다.
• 입자에 의한 안정화 유화는 높은 탈리 에너지 장벽으로 인해 메타안정 또는 안정된 구조, 예를 들어 피커링 거품, 다중에멀전, 강성 있는 bijel 을 형성할 수 있다.
• 단일 입자에 작용하는 중력력이 약할지라도, 단층막 내에서 중력력이 누적되어 거시적 불안정성을 유도할 수 있으며, 특히 밀도가 높은 단층막에서 두드러진다.