[논문 리뷰] Flow behavior of colloidal rod-like viruses in the nematic phase

M. P. Lettinga, Zvonimir Dogic외 2명|arXiv (Cornell University)|2005. 06. 07.

Liquid Crystal Research Advancements인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 측정된 유변학적 거동과 현장 내 영상 촬영을 통해, 비균일한, 콜로이드성 fd 바이러스가 비틀림 상태에서 비틀림, 흔들림, 유동 정렬 상태로의 전이를 조사한다. 결과적으로, 질서 매개변수로 스케일링된 경우, Doi-Edwards-Hess 이론과 뛰어난 정량적 일치를 보이며, 막대의 반탄성성과 표면 전하가 있음에도 불구하고 딱딱한 막대 시스템에 대한 이론의 예측 능력을 확인한다.

ABSTRACT

The behavior of a colloidal suspension of rod-like {\it fd} viruses in the nematic phase, subjected to steady state and transient shear flows is studied. The monodisperse nature of these rods combined with relatively small textural contribution to the overall stress make this a suitable model system to investigate the effects of flow on the non-equilibrium phase diagram. Transient rheological experiments are used to determine the critical shear rates at which director tumbling, wagging and flow-aligning occurs. The present model system enables us to study the effect of rod concentration on these transitions. The results are in quantitatively agreement with the Doi-Edwards-Hess model. Moreover, we observe that there is a strong connection between the dynamic transitions and structure formation, which is not incorporated in theory.

연구 동기 및 목표

• 콜로이드 난성 상에서의 동적 유동 전이(비틀림, 흔들림, 유동 정렬)의 농도 및 비율 의존성을 조사하기 위해.
• 막대형 바이러스 분산계에서 텍스처 스트레스가 전체 유변학적 반응에 기여하는 정도를 평가하기 위해.
• Doi-Edwards-Hess(DEH) 이론이 잘 정의된 모델 시스템에서 비평형 거동을 예측하는 데 얼마나 잘 작동하는지 테스트하기 위해.
• 동적 전이와 미세구조적 변화(예: 유변대역 형성 포함) 사이의 관계를 탐색하기 위해.
• 막대의 유연성과 전하를 질서 매개변수를 통해 고려할 경우, DEH 이론이 실험 결과를 정량적으로 기술할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 유동 반전 실험을 통해 시간에 따라 변화하는 반응을 조사하고, 동적 전이의 임계 비율을 특정하기 위해 일시적 유변학적 실험을 수행한다.
• 유변학적 조건 하에서 현장 내 영상 촬영을 통해 미세구조적 변화(예: 유변대역 형성, 도메인 정렬 변화)를 시각화한다.
• 유동 정지 후 정체된 점도 및 회복 시간을 측정하여 스트레스 기여도와 구조적 복구 정도를 평가한다.
• Doi-Edwards-Hess(DEH) 이론을 적용하여 비율 하에서 막대의 정렬 분포 함수의 시간에 따른 변화를 모델링한다.
• 등방성-난성 전이에서의 질서 매개변수를 사용하여 실험 데이터를 스케일링하고, 피팅 매개변수 없이 이론과 비교한다.
• 응력 텐서 분해 분석을 통해 분자 기여와 텍스처 기여를 분리하며, 특히 고농도 조건에서의 기여를 중점적으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 fd 바이러스 분산계에서 막대의 농도는 비틀림-흔들림 전이와 흔들림-유동 정렬 전이의 임계 비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 텍스처 기여(예: 결함, 영역 경계 등)는 fd 바이러스 난성 분산계의 유변학적 반응에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 Doi-Edwards-Hess 이론은 반탄성성과 전하를 갖는 막대계에서 관측된 동적 전이를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ4 동적 전이와 유변대역, 정렬 순서와 같은 미세구조적 특성 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ5 질서 매개변수를 스케일링 변수로 사용할 경우, 조정 매개변수 없이 실험 데이터를 DEH 이론에 정량적으로 매칭할 수 있는가?

주요 결과

• 비틀림-흔들림 전이와 흔들림-유동 정렬 전이의 실험적 임계 비율은 질서 매개변수로 스케일링된 경우 Doi-Edwards-Hess 이론과 뛰어난 정량적 일치를 보인다.
• 텍스처 스트레스가 총 응력에 미치는 기여는 미미하며, 이는 변형률 스케일링이 없고, Péclet 수 스케일링이 일시적 반응에서 지배적이라는 점에서 뒷받침된다.
• 비틀림-흔들림 전이 지점에서 점도의 局부 최대값이 관측되며, 이는 DEH 이론로는 설명되지 않으며, 구조 재편성과 관련이 있을 수 있다.
• 현장 내 영상 촬영 결과, 고농도 조건에서 매크로스코픽 유변대역이 형성되며, 이는 흐름 반전 반응에서 진동 특징의 소실과 동시에 발생한다.
• 동적 전이와 구조적 변화가 강하게 상관되어 있음을 확인하여, 현재 균질한 DEH 이론의 범위를 초월하는 미세구조적 변화의 핵심 역할을 확인한다.
• 막대의 반탄성성과 표면 전하가 있음에도 불구하고, 질서 매개변수를 스케일링 변수로 사용할 경우 DEH 이론이 동적 거동을 정확히 기술함을 확인하여, 딱딱한 막대 시스템에 대한 이론의 강건성을 입증한다.