[논문 리뷰] Unifying disparate experimental views on shear-thickening suspensions.

Philippe Bourrianne, Vincent Niggel외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 07.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 모델 시스템에서 입자 표면 화학과 거칠기를 독립적으로 조절함으로써 유동력학적 힘과 입자 마찰의 역할을 실험적으로 분리한다. 이는 이산적 점성 증가(DST)에 필수적인 수소 결합이 있음을 보여주며, 표면 화학과 거칠기 모두 연속적 점성 증가(CST)를 지배함을 입증한다. 이를 통해 고정된 부피 분율에서 입자 혼합물을 통해 점성 증가 전이를 정밀하게 제어할 수 있다.

ABSTRACT

Shear thickening denotes the rapid and reversible increase in viscosity of a suspension of rigid particles under external shear. This ubiquitous phenomenon has been documented in a broad variety of multiphase particulate systems, while its microscopic origin has been successively attributed to hydrodynamic interactions and frictional contact between particles. The relative contribution of these two phenomena to the magnitude of shear thickening is still highly debated and we report here a discriminating experimental study using a model shear-thickening suspension that allows us to tune independently both the surface chemistry and the surface roughness of the particles. We show here that both properties matter when it comes to continuous shear thickening (CST) and that the presence of hydrogen bonds between the particles is essential to achieve discontinuous shear thickening (DST) by enhancing solid friction between closely contacting particles. Moreover, a simple argument allows us to predict the onset of CST, which for these highly-textured particles occurs at a critical volume fraction much lower than that previously reported in the literature. Finally, we demonstrate how mixtures of particles with opposing surface chemistry make it possible to finely tune the shear-thickening response of the suspension at a fixed volume fraction, paving the way for a fine control of shear-thickening transition in engineering applications.

연구 동기 및 목표

• 유동력학적 힘과 입자 마찰 중 어느 것이 분산계에서 점성 증가를 지배하는지 오랫동안 끊어진 논쟁을 해결하기 위해.
• 표면 화학과 표면 거칠기의 기여를 연속적 점성 증가(CST)와 이산적 점성 증가(DST)에 대해 실험적으로 분리하고 정량화하기 위해.
• 이산적 점성 증가(DST)에 필수적인 강한 입자 간 마찰을 가능하게 하는 수소 결합의 핵심 역할을 규명하기 위해.
• 높은 질감을 가진 입자에서 연속적 점성 증가의 시작 조건을 예측할 수 있는 기준을 설정하기 위해.
• 고정된 부피 분율에서 표면 화학이 상반된 입자 혼합물을 통해 점성 증가 거동을 조절 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 표면 화학과 거칠기를 표면 기능화 및 질감 조절을 통해 독립적으로 제어할 수 있는 모델 점성 증가 분산계를 사용하였다.
• 유변 측정을 제어된 비율에서 수행하여 점도 변화를 정량화하고 CST 및 DST의 전이점을 규명하였다.
• 입자 간 상호작용를 조절하기 위해 친수성(-OH 등) 및 소수성(-CH3 등) 기능기 조절을 통해 표면 화학을 조절하였다.
• 입자 접촉 역학을 변화시키기 위해 제어된 에칭 또는 코팅 기법을 사용하여 표면 거칠기를 체계적으로 변화시켰다.
• 입자 정지와 마찰 접촉 기반의 이론적 논증을 사용하여 연속적 점성 증가의 시작 조건을 예측하였다.
• 고정된 부피 분율에서 유변학적 반응의 조절 가능성을 탐색하기 위해 상반된 표면 화학(예: 친수성 및 소수성)을 가진 입자 혼합물을 제조하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유동력학적 상호작용와 입자 마찰 중 어느 것이 분산계에서 점성 증가에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ2 표면 화학과 표면 거칠기가 연속적 점성 증가(CST)의 시작 및 크기에 독립적으로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 수소 결합은 이산적 점성 증가(DST)를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 입자 질감과 입자 간 힘을 기반으로 연속적 점성 증가의 시작을 예측할 수 있는가?
• RQ5 고정된 부피 분율에서 표면 화학이 상반된 입자를 혼합함으로써 점성 증가 전이를 어느 정도 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 입자 간 수소 결합은 밀착된 접촉에서 고체 마찰을 증가시키므로 이산적 점성 증가(DST)를 달성하는 데 필수적이다.
• 표면 화학과 표면 거칠기 모두 연속적 점성 증가(CST)에 크게 영향을 미치며, 이들의 조합 효과로 이전에 보고된 것보다 낮은 임계 부피 분율에서 CST의 시작이 가능해진다.
• 높은 질감을 가진 입자에서 연속적 점성 증가의 시작은 매끄럽거나 상호작용성이 낮은 시스템보다 상당히 낮은 임계 부피 분율에서 발생한다.
• 상반된 표면 화학(예: 친수성 및 소수성)을 가진 입자 혼합물은 고정된 부피 분율에서 점성 증가 반응을 정밀하게 조절할 수 있다.
• 입자 정지와 마찰 접촉 기반의 단순한 이론적 논증은 질감이 있는 분산계에서 연속적 점성 증가의 시작을 정확히 예측할 수 있다.
• 연구는 수소 결합에 의해 강화된 마찰성 입자 접촉이 이산적 점성 증가의 핵심 원동력임을 실험적으로 입증한다.