[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究揭示，胶体凝胶的黏弹性源于两种不同的团簇动力学：早期的局域弹性涨落与晚期的集体黏弹性运动。通过差分动态光散射（DDM）与流变测量，作者表明，通过双组分混合物调节粒子吸引力可控制这两种模式之间的转变，从而精确调控频率依赖的黏弹性响应；晚期动力学受空间位阻约束，其普遍亚扩散指数接近0.6。

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.

研究动机与目标

• 理解稀胶体凝胶中黏弹性的微观起源，该现象尚未被现有模型完全解释。
• 识别并表征与宏观黏弹性响应相关的团簇运动的独立动力学模式。
• 证明通过控制弹性与集体动力学之间的转变时间，可调节黏弹性谱。
• 研究空间位阻与粒子连通性在调控长时间集体动力学中的作用。
• 建立基于DDM的团簇尺度动力学与基于流变测量的宏观流变学之间的定量关联。

提出的方法

• 采用差分动态光散射（DDM）测量团簇在多个时间尺度上的均方位移（MSD）。
• 通过宏观流变测量，在一系列频率范围内测定线性黏弹性模量（G′ 和 G′′）。
• 合成具有不同PNIPAM壳层厚度的PS-PNIPAM粒子双组分混合物，以调节吸引力强度，同时保持总体积分数φ恒定。
• 通过温度程序扫描实验确定两种粒子类型的凝胶化温度（Tg = 27.3 °C 和 25.5 °C）。
• 进行DDM分析，将团簇动力学分解为早期平台区（弹性）与晚期亚扩散区（黏弹性）。
• 通过调节两种粒子类型的混合比例，控制两种模式之间的转变时间，从而调控黏弹性响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 胶体凝胶中团簇运动的独立动力学模式是什么？它们如何与宏观黏弹性相关？
• RQ2 从局域弹性涨落到集体黏弹性运动的转变如何影响黏弹性模量的频率依赖性？
• RQ3 通过改变不同吸引力粒子的相对比例，在多大程度上可调节双组分胶体凝胶的黏弹性响应？
• RQ4 晚期动力学中观察到的约0.6的亚扩散指数背后的物理机制是什么？
• RQ5 长时间集体动力学是否与体积分数φ无关？若是，其普遍性由什么决定？

主要发现

• 团簇的早期MSD达到有限平台，表明存在局域弹性涨落，反映了凝胶的弹性特性。
• 晚期MSD表现出亚扩散行为，其指数接近0.6，与宏观黏弹性响应相关。
• 通过调节两种吸引力不同的粒子类型的混合比例，可调控弹性与黏弹性模式之间的转变时间。
• 晚期黏弹性响应在很大程度上与混合比例无关，表明亚扩散动力学由空间位阻约束而非局部键强度主导。
• 在MSD和线性黏弹性模量中均观察到约0.6的幂律指数，且该指数在不同体积分数下保持稳健，表明存在由团簇间相互约束介导的普遍机制。
• 集体动力学先于并有别于非平衡弛豫过程，后者在动力学冻结体系中被观测到。