[论文解读] Complex Fluids: The Physics of Emulsions

M. E. Cates|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2012

Pickering emulsions and particle stabilization被引用 7

一句话总结

本文提出了一套理论框架，用于理解乳液的物理机制，重点研究相分离、表面活性剂和颗粒在界面的稳定作用，以及重力作用下的乳液稳定性。该研究引入了颗粒稳定乳液的临界Bond数，表明对于中性润湿颗粒，集体脱离（构造模式）占主导地位；而对于非中性接触角，关键块失效机制占主导，对应的Bo*分别与N^{-1/2}或N^{-1}成比例。

ABSTRACT

These lectures start with the mean field theory for a symmetric binary fluid mixture, addressing interfacial tension, the stress tensor, and the equations of motion (Model H). We then consider the phase separation kinetics of such a mixture: coalescence, Ostwald ripening, its prevention by trapped species, coarsening of bicontinuous states, and the role of shear flow. The third topic addressed is the stabilization of emulsions by using surfactants to reduce or even eliminate the interfacial tension between phases; the physics of bending energy, which becomes relevant in the latter case, is then presented briefly. The final topic is the creation of long-lived metastable emulsions by adsorption of colloidal particles or nano-particles at the fluid-fluid interface; alongside spherical droplets, these methods can be used to create a range of unconventional structures with potentially interesting properties that are only now being explored.

研究动机与目标

• 解释复杂流体中乳液形成与稳定背后的热力学和动力学机制。
• 分析表面活性剂和胶体颗粒如何通过降低界面张力或形成不可逆屏障来防止相分离。
• 研究重力作用下颗粒稳定乳液的稳定性，特别是颗粒脱离机制的作用。
• 推导并解释涂覆有胶体单层的液滴中集体颗粒脱离的临界Bond数。
• 比较颗粒稳定乳液中竞争性的失效模式——关键块与构造模式，并确定其对接触角和颗粒数的依赖性。

提出的方法

• 使用平均场理论和Model H描述二元流体相分离及界面动力学。
• 应用高斯-博内定理并重新归一化弯曲刚度，分析曲面几何中的界面能。
• 通过脱离能量阈值和接触角依赖性建模颗粒在流体界面的吸附。
• 通过重力拉力与界面张力之间的力平衡推导临界Bond数Bo*，同时考虑关键块和构造脱离机制。
• 使用标度论证和几何近似（例如，R ≈ aN^{1/2}）估算Bo*对颗粒数N的依赖性。
• 结合理论分析与实验及模拟数据，验证不同接触角下的预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在表面活性剂存在下，界面张力如何演化？何种条件可导致界面张力接近零的微乳液？
• RQ2 双连续微乳液的稳定性由什么决定？如何防止其粗化？
• RQ3 颗粒稳定乳液如何抵抗聚结和奥斯特瓦尔德熟化？不可逆吸附在其中起什么作用？
• RQ4 颗粒单层从曲面液滴上脱离的临界Bond数是多少？它如何随颗粒数N变化？
• RQ5 对于颗粒稳定乳液，关键块或构造脱离机制中哪一个占主导？其对接触角的依赖关系如何？

主要发现

• 在构造模式下，颗粒从液滴上脱离的临界Bond数与Bo* ∝ N^{-1/2}成比例，其中N为单层中颗粒数。
• 对于中性润湿颗粒（θ = π/2），模拟结果表明构造脱离占主导，Bo*与N^{-1/2}成比例，这是由于赤道区域发生集体失效。
• 对于非中性接触角，关键块机制占主导，其中单个颗粒承载全部载荷，导致Bo* ∝ N^{-1}。
• 双连续互穿网络（bijel）的弹性模量满足G ∼ γ / ξ，其中域尺寸ξ ≈ a / φ_p，a为颗粒尺寸，φ_p为体积分数。
• 颗粒稳定乳液可形成亚稳态或稳定结构，如Pickering泡沫、多重乳液和刚性bijel，这是由于脱离能垒较高所致。
• 单层中颗粒所受重力作用可累积，即使单个颗粒受力微弱，仍可能导致宏观不稳定性，尤其在密集单层中更为显著。