[논문 리뷰] Formation mechanism of ice banding in freezing colloidal suspensions

Jiaxue You, Jincheng Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 12.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고체화하는 콜로이드 분산계에서 얼음 밴딩이 고체화 front 앞에서 동적 공극 얼음 성장에 의해 발생하며, 공극 얼음 부위에서 얼음 찌른(ice spear) 형성이 관찰된다는 것을 드러낸다. 인터페이스의 과냉각, 일시적 인터페이스 위치, 그리고 끌기 속도에 의존하는 밴딩을 정량적으로 분석한 결과, 주기적인 얼음 렌즈 형성이 동적 입자 정렬과 고체화 동역학에 의해 주도됨을 확인하였다.

ABSTRACT

Formation of ice banding in freezing colloidal suspensions, of significance in frost heaving, ice-templating porous materials and biological materials, remains a mystery. With quantitative experiments, we reveal the formation mechanism of ice banding by focusing on the particle packing status and dynamic interface undercooling. The dynamic particle packing in front of the freezing ice is characterized based on the pulling-speed-dependent ice bandings. The quantitative details of freezing kinetics of periodic ice lenses were given based on the transient interface positions, speeds and undercooling as well as their relationships. All the evidences imply that the dynamic growth of pore ice is responsible for the formation of ice banding and we observe the ice spear may initiate from a pore ice.

연구 동기 및 목표

• 고체화되는 콜로이드 분산계에서 얼음 밴딩 형성의 오랫동안 미해결된 수수께끼를 해결하기 위해.
• 입자 정렬 상태와 동적 인터페이스 과냉각이 얼음 밴딩에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 일시적 인터페이스 측정을 통해 주기적인 얼음 렌즈의 고체화 동역학을 정량화하기 위해.
• 공극 얼음 성장이 밴딩 구조에서 얼음 찌른 형성의 시초가 되는지 확인하기 위해.
• 동적 입자 정렬과 주기적인 얼음 렌즈 발달 사이의 기계적 연결 고리를 확립하기 위해.

제안 방법

• 빙결 형태를 관찰하기 위해 끌기 속도를 제어한 정량적 실험을 수행하였다.
• 고체화 중 일시적 인터페이스 위치와 속도를 추적하여 동적 과냉각을 분석하였다.
• 끌기 속도에 따른 밴딩 패atters를 이용해 고체화 front 앞의 입자 정렬 상태를 분석하였다.
• 인터페이스 동역학(위치, 속도, 과냉각)을 주기적인 얼음 렌즈 형성과 연관지어 분석하였다.
• 고해상도 영상 촬영을 통해 공극 얼음 구조와 상대적인 얼음 찌른 형성 지점을 규명하였다.
• 관측된 인터페이스 행동을 얼음 핵형성 및 성장 메커니즘과 연결하기 위해 동역학 모델링을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 고체화되는 콜로이드 분산계에서 주기적인 밴딩 구조가 발생하는가?
• RQ2 동적 입자 정렬은 얼음 렌즈 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 인터페이스 과냉각은 얼음 밴딩 발달에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 공극 얼음에서 발생한 얼음 찌른 형성이 밀도 있는 얼음에서 발생하는 것보다 가능할 수 있는가?
• RQ5 일시적 인터페이스 위치와 속도는 주기적인 얼음 렌즈 성장과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 공극 얼음의 동적 성장이 고체화되는 콜로이드 분산계에서 얼음 밴딩 형성의 주요 원인이다.
• 얼음 찌른 형성이 공극 얼음에서 직접 관측되었으며, 주 고체화 front에서 유래된 것이 아니었다.
• 끌기 속도에 따른 밴딩 패턴은 인터페이스 동역학과 입자 정렬 간의 일관된 상관관계를 드러냈다.
• 일시적 인터페이스 위치와 속도는 측정 가능한 과냉각을 보였으며, 비평형 고체화 동역학을 시사하였다.
• 인터페이스 속도, 과냉각, 밴딩 간격 사이의 정량적 관계가 확립되었다.
• 주기적인 얼음 렌즈 형성은 공극 척도에서의 동적 입자 정렬과 국소적 고체화 동역학에 의해 지배된다.