[논문 리뷰] How colloidal suspensions that age are rejuvenated by strain application

Virgile Viasnoff, Stéphane Jurine외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 10. 29.

Material Dynamics and Properties인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 진동하는 변형이 밀도가 높은 콜로이드 분산계에서 변형 진폭과 지속 시간에 따라 재생하거나 과노화시키는 것으로 나타났다. 다중점자리 빛산란 분광법을 사용하여 저자들은 고진폭에서는 기억을 지우고 재생시키며, 중간 진폭에서는 과노화를 가속화함을 보였다. 이 이중적 행동은 연성 유리 률학 모델이 이중 분포를 가진 회복 시간 분포를 통해 설명한다.

ABSTRACT

We present here a microscopic study of the effect of shear on a dense purely repulsive colloidal suspension. We use Multispeckle Diffusing Wave Spectroscopy to monitor the transient motions of colloidal particles after being submitted to an oscillatory strain. This technique proves efficient to record the time evolution of the relaxation times distribution. After a high oscillatory shear, we show that this distribution displays a full aging behavior. Oppositely, when a moderate shear is applied the distribution is modified in a non trivial way. Whereas high shear is able to erase all the sample history and rejuvenate it, a moderate shear helps it to age. We call this phenomena overaging. We demonstrate that overaging can be understood if the complete shape of the relaxation time distribution is taken into account. We finally report how the Soft Glassy Rheology model accounts for this effect.

연구 동기 및 목표

• 진동 변형이 과노화 콜로이드 분산계의 동적 회복에 미치는 미세구조적 영향을 조사하기 위해.
• 변형이 유리성 콜로이드 시스템에서 과노화를 지우거나 가속화할 수 있는지 판단하기 위해.
• 비단조화적인 회복 동역학의 실험적 관측을 연성 유리 률학(SGR) 모델과 조율하기 위해.
• 전체 회복 시간 분포가 기계적 외란에 대한 시스템 반응을 어떻게 규정하는지 분석하기 위해.

제안 방법

• 변형 적용 후 임시 입자 운동을 모니터링하기 위해 다중점자리 빛산란 분광법(MSDWS)을 사용하였다.
• 기억 효과를 조사하기 위해 다양한 진폭(γ₀)과 지속 시간(du)을 가진 진동 변형 역사를 적용하였다.
• 과노화, 재생 또는 과노화를 감지하기 위해 회복 시간 분포 P(ε)의 시간 진화를 측정하였다.
• 에너지 의존적 탈출률 Γ_out(E)과 입구률 Γ_in(E)을 가진 연성 유리 률학(SGR) 모델을 사용하여 변형 효과를 시뮬레이션하였다.
• 탈출률에 대한 곱셈 인자 exp[(1/2)kl²/x]를 도입하여 에너지 장을 수정하였다.
• 재생의 완전성 평가를 위해 변형 의존성 탄성률 k = k₀ + κE 를 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동 변형은 과노화 콜로이드 분산계에서 회복 시간 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 변형이 시스템을 동시에 재생시키고 과노화시킬 수 있으며, 각 현상이 지배하는 조건은 무엇인가?
• RQ3 연성 유리 률학 모델이 관측된 이중적 행동을 정량적으로 설명할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 전체 형태의 회복 시간 분포가 매크로스코픽 반응을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 실제 변형 역사 하에서 완전한 재생이 가능할 수 있으며, 이를 가능하게 하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 고진폭의 진동 변형은 시스템의 역사 전부를 지우며, 회복 시간 분포를 재설정함으로써 완전한 재생을 이끈다.
• 중간 정도의 변형은 과노화를 유도하며, 낮은 에너지 상태의 과잉 축적으로 인해 회복 시간 분포가 더 긴 시간 쪽으로 이동한다.
• 변형 후 회복 시간 분포는 이중 피크를 가지게 되는데, 한 피크는 재생된 짧은 시간을, 다른 피크는 과노화된 긴 시간을 나타낸다.
• 과노화는 입구률 Γ_in(E)이 낮은 에너지 상태의 과잉으로 증가하는 데 기인하며, 탈출률 Γ_out(E)은 변화하지 않는다.
• SGR 모델은 탄성률이 웰 깊이에 따라 의존할 경우에만 완전한 재생이 가능하다고 예측하며, 이는 임계 변형 γ₀c = 2/κ 를 유도한다.
• 모델의 예측인 순순간 탄성률 <k> ∝ log(t_w) 의 로그 종속성은 풍선형 콜로이드 시스템에서의 실험 관측과 일치한다.