[논문 리뷰] Simultaneous measurement of extensional stress and flow birefringence field for uniaxially extending worm-like micellar solutions

Masakazu Muto, Tatsuya Yoshino외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 26.

Surfactants and Colloidal SystemsChemistry인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 액체 방울 떨어짐 방법과 고속 편광 카메라를 조합한 새로운 rheo-optical 기법을 제시하여, 축방향으로 연신되는 웜-형 미셀 용액에서 연신 응력과 유동 이방성의 동시 측정을 수행한다. 이 방법은 미셀의 정렬 상태를 실시간으로 시각화할 수 있으며, 연신 및 비틀림 유동 조건에서 동일한 스트레스-이방성 계수를 확인함으로써 선형 스트레스-이방성 법칙의 타당성을 입증한다.

ABSTRACT

The present study proposes a novel and simple rheo-optical technique to investigate the relation between the rheology of complex fluids and their internal structural deformation under uniaxial extensional flow. The macroscale results of viscoelasticity from rheological measurements and microscale results of birefringence from optical measurements are combined to evaluate the microstructural deformation and orientation state inside the fluids under extensional stress. The proposed technique combines a liquid dripping method with a high-speed polarization camera to measure the extensional stress and flow-induced birefringence field simultaneously. In the liquid dripping method, temporal evolution images of the liquid filament diameter for fluids dripping from a nozzle are measured to obtain the extensional stress loading on the liquid filament. These images are captured with a high-speed polarization camera connected to a micro polarization element alley, enabling high-speed imaging of the birefringent field. Worm-like micellar solutions of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and sodium salicylate (NaSal) with varying concentrations of CTAB and NaSal are employed as the measurement targets. Consequently, we successfully visualized temporally developing images of the birefringence field of uniaxially extending worm-like micellar solutions induced by the orientation of micelles toward the extensional direction. Furthermore, the proposed technique supports investigating the conditions for establishing the stress-optical rule, which is the linear relation between stress and birefringence for complex fluids. The stress-optical coefficient, a proportionality constant indicating the sensitivity of birefringence to stress, is analyzed from these measurements. The stress-optical coefficient under uniaxial extensional flow is confirmed to be comparable to that under shear flow.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 유체에서 거시적 연신 응력과 미시적 유동 이방성을 동시에 측정할 수 있는 단순하고 고해상도의 rheo-optical 기법을 개발하는 것.
• 축방향 연신 유동 조건에서 웜-형 미셀의 구조적 변형과 정렬 상태를 조사하는 것.
• 측정된 스트레스-이방성 계수를 통해 축방향 연신 유동에서의 스트레스-이방성 법칙을 검증하는 것.
• CTAB/NaSal 용액에서 미셀 농도에 따른 스트레스-이방성 계수의 의존성을 조사하는 것.

제안 방법

• 노즐에서 액체를 떨어뜨리는 방법을 사용하여 웜-형 미셀 용액에서 축방향 연신 유동을 생성한다.
• 액체 필라멘트의 직경 변화를 고속 영상으로 촬영하여 시간에 따른 연신 응력 하중을 기록한다.
• 마이크로-편광 요소 어레이를 갖춘 고속 편광 카메라를 통해 유동에 의해 유도된 이방성장을 실시간으로 고공간 해상도로 영상화한다.
• 곡률에 기인한 산란을 방지하기 위해 필라멘트 최소 반경에서의 빛 강도 선형 프로파일을 이용해 위상 지연 및 정렬 각도를 추출한다.
• 측정된 연신 응력과 이방성 간의 선형 관계(δn = C(σ∥ − σ⊥))로부터 스트레스-이방성 계수를 계산한다.
• CTAB 및 NaSal 농도를 다양하게 조절한 용액을 시험하여 스트레스-이방성 계수의 농도 의존성을 분석한다.

Figure 1: Birefringence induced by a change in the orientation state of worm-like micelles under stress loading. Without stress loading, the worm-like micelles in the solutions have random orientations in the coil state; thus, flow-induced birefringence does not occur. When applying stress to the so

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고시간 해상도와 고공간 해상도를 확보하여, 축방향으로 연신되는 웜-형 미셀 용액에서 연신 응력과 유동 이방성을 동시에 측정할 수 있는가?
• RQ2 축방향 연신 유동 조건에서 스트레스-이방성 법칙이 성립하는가? 이 경우 스트레스-이방성 계수의 값은 얼마인가?
• RQ3 CTAB/NaSal 용액에서 축방향 연신 유동과 비틀림 유동 조건 간의 스트레스-이방성 계수는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 용액 내 웜-형 미셀의 농도에 따라 스트레스-이방성 계수는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 축방향으로 연신되는 웜-형 미셀 용액의 시간에 따른 변화하는 이방성장을 성공적으로 시각화하였으며, 이는 미셀이 연신 방향으로 정렬되어 있음을 보여준다.
• 연신 응력과 이방성 간에 선형 관계가 관찰되어, 축방향 연신 유동 조건에서 스트레스-이방성 법칙의 타당성이 확인되었다.
• 축방향 연신 유동 조건에서의 스트레스-이방성 계수의 크기는 비틀림 유동 조건과 유사하여, 다양한 유동 조건에서 이방성이 응력에 대해 일관된 민감도를 가지는 것으로 나타났다.
• CTAB/NaSal 용액의 스트레스-이방성 계수는 CTAB 농도에 따라 변화하여, 용액 내 총 웜-형 미셀의 양에 의존함을 시사한다.
• 고농도의 CTAB/NaSal 용액일수록 필라멘트의 파손 시간이 증가하였으며, 이는 구조적 안정성이 향상되고 응력 하중 시간이 연장됨을 의미한다.
• 확대 배율에 따라 분석 영역을 최적화하여 일정한 빛 강도 프로파일을 갖는 영역를 선택함으로써 곡률에 기인한 오차를 최소화하고 정확한 측정을 확보하였다.

Figure 2: Conditions of index ellipsoids under (a) shear and (b) uniaxial extensional flows. Here, the major axis ( $n_{\perp}$ ) and minor axis ( $n_{\parallel}$ ) of refractive indices in the index ellipsoid correspond to $n_{y}$ and $n_{x}$ , respectively. $x,y,z$ denote the coordinate system bas