[論文レビュー] Two Modes of Cluster Dynamics Govern the Viscoelasticity of Colloidal Gels

Jae Hyung Cho, Irmgard Bischofberger|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Material Dynamics and Properties参考文献 74被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、コロイドゲルの粘弾性が、初期にはローカルな弾性揺動、後期には集団的な粘弾性運動という2つの異なるクラスター動態に起因することを明らかにした。微分動的顕微鏡法と rheometry を用いて、二成分混合物による粒子間引力の調整が、これらのモード間の遷移を制御でき、周波数依存の粘弾性応答を精密に操作できることを示した。後期の動態は空間的障害による制限によって支配され、普遍的な劣拡散指数 0.6 に近い値を示す。

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.

研究の動機と目的

• 希薄なコロイドゲルにおける粘弾性の微視的起源を理解すること。既存のモデルでは十分に説明できない。
• マクロな粘弾性応答に関連する、明確に区別できるクラスター運動の動的モードを同定・特徴付けること。
• 粘弾性スペクトルが、弾性と集団的動態の間の遷移時間の制御によって調整可能であることを示すこと。
• 空間的障害と粒子の結合性が、長時間における集団的動態をどのように媒介するかを調査すること。
• DDM によるクラスタースケールの動態と、rheometry によるマクロな rheology 間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• 複数の時間スケールにわたるクラスターの平均二乗変位（MSD）を測定するために、微分動的顕微鏡法（DDM）を用いた。
• 周波数範囲にわたる線形粘弾性モジュラス（G′ と G′′）を測定するために、マクロな rheometry を実施した。
• 体積分率 φ を一定に保ちつつ、吸引性を変化させられるように、PS-PNIPAM 粒子の二成分混合物を合成した。
• 温度ラムプ実験を用いて、2種類の粒子タイプのゲル化温度（Tg = 27.3 °C と 25.5 °C）を特定した。
• DDM 分析を実施し、クラスター動態を初期時間のプラトー（弾性）と後期の劣拡散領域（粘弾性）に分解した。
• 2種類の粒子タイプの混合比を調整することで、弾性モードと粘弾性モードの遷移時間を制御し、粘弾性応答を調整した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コロイドゲルにおけるクラスター運動を支配する明確に区別できる動的モードは何か。それらはマクロな粘弾性にどのように関連するか。
• RQ2 局所的弾性揺動と集団的粘弾性運動との間の遷移が、粘弾性モジュラスの周波数依存性にどのように影響するか。
• RQ3 異なる吸引性を持つ粒子の相対割合を変化させることで、二成分コロイドゲルの粘弾性応答をどの程度調整可能か。
• RQ4 後期動態で観察された劣拡散指数 ~0.6 の背後にある物理的メカニズムは何か。
• RQ5 後期の集団的動態は体積分率 φ に依存しないのか。もしそうならば、その普遍性は何かによって決定されるか。

主な発見

• クラスターの初期時間における MSD は有限なプラトーに達し、これはゲルの弾性を反映する局所的弾性揺動を示している。
• 後期の MSD は指数が約 0.6 の劣拡散を示し、これはマクロな粘弾性応答と関連している。
• 異なる吸引性を持つ2種類の粒子タイプの混合比を調整することで、弾性モードと粘弾性モードの遷移時間が制御可能である。
• 後期の粘弾性応答は混合比に対してほとんど依存しないため、劣拡散動態は局所的結合強度ではなく、空間的障害によって支配されていることが示唆される。
• MSD と線形粘弾性モジュラスの両方で観察される約 0.6 のべき乗則指数は、異なる体積分率においても安定しており、相互に干渉するクラスターの制約によって媒介される普遍的メカニズムを示唆している。
• 集団的動態は、力学的停止系における非平衡老化過程よりも前触れであり、それとは明確に異なる。