[논문 리뷰] Two Modes of Cluster Dynamics Govern the Viscoelasticity of Colloidal Gels

Jae Hyung Cho, Irmgard Bischofberger|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 03.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 74인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 콜로이드 젤의 점탄성을 두 가지 별개의 클러스터 운동 메커니즘에서 기인함을 밝혀냈다: 초기에는 局소적인 탄성 변동이고, 후기에는 집합적인 점탄성 운동이다. 분광역학적 동적 현미경법과 점탄도 측정법을 사용하여, 저자들은 이중 혼합물에 의한 입자 상호작용 강도 조절을 통해 이러한 모드 간의 전이를 제어함으로써 주파수 의존성 점탄성 반응을 정밀하게 조작할 수 있음을 보여주었다. 후기 시기의 운동은 입자 간의 공간적 제약에 의해 결정되며, 이로 인해 보편적인 부분확산 지수 약 0.6이 관찰된다.

ABSTRACT

Colloidal gels formed by strongly attractive particles at low particle volume fractions are composed of space-spanning networks of uniformly sized clusters. We study the thermal fluctuations of the clusters using differential dynamic microscopy by decomposing them into two modes of dynamics, and link them to the macroscopic viscoelasticity via rheometry. The first mode, dominant at early times, represents the localized, elastic fluctuations of individual clusters. The second mode, pronounced at late times, reflects the collective, viscoelastic dynamics facilitated by the connectivity of the clusters. By mixing two types of particles of distinct attraction strengths in different proportions, we control the transition time at which the collective mode starts to dominate, and hence tune the frequency dependence of the linear viscoelastic moduli of the binary gels.

연구 동기 및 목표

• 기존 모델로는 완전히 설명되지 않는 희박한 콜로이드 젤에서 점탄성의 미세구조적 기원을 이해하기 위해.
• macroscopic 점탄성 반응과 관련된 별개의 클러스터 운동 동역학 모드를 규명하고 특성화하기 위해.
• 탄성과 집합적 운동 간의 전이 시간을 제어함으로써 점탄성 스펙트럼을 조작할 수 있음을 보여주기 위해.
• 공간적 제약과 입자 간 연결성의 역할이 장시간 집합적 운동을 어떻게 매개하는지 조사하기 위해.
• DDM를 통한 클러스터 척도의 동역학과 레오메트리로 측정한 매크로스코픽 점탄도 간의 정량적 연관성 수립하기 위해.

제안 방법

• 다양한 시간 스케일에서 클러스터의 평균 제곱이동(MSD)을 측정하기 위해 분광역학적 동적 현미경법(DDM)을 사용하였다.
• 다양한 주파수 범위에서 선형 점탄성 모듈러스(G′ 및 G′′)를 측정하기 위해 매크로스코픽 점탄도 측정법을 시행하였다.
• 총 체적 분율 φ를 일정하게 유지하면서 상호작용 강도를 변화시킬 수 있도록, PNIPAM 코팅 두께가 다른 PS-PNIPAM 입자 이중 혼합물을 합성하였다.
• 온도 램프 실험을 통해 두 입자 유형의 거품화 온도(Tg = 27.3 °C 및 25.5 °C)를 결정하였다.
• 클러스터 운동을 초기기 평탄한 부분(탄성)과 후기 부분확산 영역(점탄성)으로 분해하기 위해 DDM 분석을 수행하였다.
• 두 입자 유형의 혼합 비율을 조절하여 탄성과 점탄성 운동 간의 전이 시간을 제어함으로써 점탄성 반응을 조작하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콜로이드 젤에서 클러스터 운동을 지배하는 별개의 동역학 모드는 무엇이며, 매크로스코픽 점탄성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 국소적인 탄성 변동과 집합적인 점탄성 운동 간의 전이가 점탄성 모듈러스의 주파수 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다른 상호작용 강도를 가진 입자 비율을 변화시킴으로써 이중 콜로이드 젤의 점탄성 반응을 어느 정도 조절할 수 있는가?
• RQ4 후기 시기 운동에서 관찰된 약 0.6의 부분확산 지수는 어떤 물리적 메커니즘에 기인하는가?
• RQ5 후기 시기 집합적 운동은 체적 분율 φ에 독립적인가? 만약 그렇다면, 그 보편성은 무엇에 의해 결정되는가?

주요 결과

• 클러스터의 초기기 MSD는 유한한 평탄한 부분에 도달하며, 이는 젤의 탄성 반영을 나타내는 국소적인 탄성 변동을 의미한다.
• 후기 시기 MSD는 지수 약 0.6의 부분확산을 보이며, 이는 매크로스코픽 점탄성 반응과 관련되어 있다.
• 다른 상호작용 강도를 가진 두 입자 유형의 혼합 비율을 조절함으로써 탄성 모드와 점탄성 모드 간의 전이 시간을 조절할 수 있다.
• 후기 시기 점탄성 반응은 혼합 비율에 크게 영향을 받지 않으며, 이는 부분확산 운동이 국소적 결합 강도가 아닌 공간적 제약에 의해 지배됨을 시사한다.
• MSD와 선형 점탄성 모듈러스 양쪽 모두에서 관찰된 약 0.6의 거듭제곱 지수는 다양한 체적 분율에서 강인하며, 상호 클러스터 제약에 의해 매개되는 보편적 메커니즘을 시사한다.
• 집합적 운동은 비평형 노화 과정과 별개로 먼저 발생하며, 이는 동역학적으로 정지된 시스템에서 관찰되는 것과 다릅니다.