1-2 평면 흐름 - 작은 각 중성자 산란을 이용하여 재료 미세 조직에서 유량을 측정
Summary
전단 셀은 전단 속도 – 속도 구배 평면에서 소각 중성자 산란 측정을 위해 개발되고 복잡한 유체를 특성화하기 위해 사용된다. 속도 구배 방향으로 공간 분해 측정 전단 밴딩 물질을 연구 할 수 있습니다. 응용 프로그램은 콜로이드 분산의 조사, 폴리머 솔루션, 자기 조립 구조를 포함한다.
Abstract
간단한 전단 흐름에서 복잡한 유체의 미세 구조를 연구에 최적화 된 새로운 소각 중성자 산란 (SANS) 샘플 환경이 제공됩니다. SANS 전단 전지 유동장의 소용돌이 방향은 중성자 빔 전단의 1-2면 (속도 – 속도 구배로부터 산란 활성화와 정렬되도록 밀봉 수평축에 대해 회전 동심 실린더 쿠 에트 형상 이루어져 각각). 전단의 1-2면 내의 벌크 유동학과 미세 특징 간의 강한 결합이 있기 때문에 이러한 접근 방법은 이전의 전단 세포 샘플 환경 이상의 사전이다. 이러한 전단으로 줄무늬 흐름의 불안정성, 또한 공간적으로 해결 측정하여 공부하실 수 있습니다. 이것은 속도 구배 방향을 따라 중성자 빔 스캐닝 좁은 개구를 사용하여이 샘플의 환경에서 수행된다. 이러한 흐름 창업과 큰 진폭의 진동으로 시간이 해결 실험, 그녀AR 흐름 전단 운동과 산란 중성자의 시간 분해 검출 동기화도 가능하다. 여기에 설명 된 방법을 사용하여 대표 결과 전단 밴딩 만 속도 구배 방향을 따라 구조를 해결하여 조사 할 수 현상을 나타내는 벌레 같은 미셀 용액의 미세 구조를 측정하는 공간적 해상도의 유용한 성질을 보여준다. 마지막으로, 현재 디자인에 대한 잠재적 인 개선 전단 운동의 다양한 복잡한 유체의 넓은 범위에 미래 실험에 대한 동기 부여로 보충 실험을위한 제안과 함께 설명되어 있습니다.
Introduction
자연 현상의 과학적 이해를 개발하는 것은 정확하고 정밀한 측정이 필요합니다. 계측은. 유변학은 물질의 변형과 유동의 과학도 새로운 프로세스와 재료의 성공적인 엔지니어링 및 설계의 기초입니다. 유변학은 다양한 재료를 처리하는 우리의 능력에 중심이며, 또한 특정 재료의 특성을 대상으로 제품의 성분 배합에 의해 사용된다. 후자는 페인트, 샴푸, 및 식품과 같은 일상적인 가전 제품의 개발을 포함하고있는 반면 이전의 전형적인 예는, 성형 중합체 또는 복합체 형성을 포함한다. 그렇게 그것이 소비자에게 정확한 일관성을 가지고 효율적으로 사출 성형 또는 샴푸의 점탄성이 변경 될 수 있도록 용융 중합체의 점도가 제어되는 것을, 유변학 적 특성은 소재 (1)의 제형을 변화시킴으로써 제어된다. 재료 및 제품의 레올 로지는 또한 T에 따라 달라집니다그는 유체 상태의 구조와이 구조에서 마이크로 나노 범위이다. 또한,이 구조는 그러한 흐름 중에 구조를 측정하는 rheologists 도전 흐름의 유속과 시간 등 공정 변수로 변경한다. 그것은이 문서에서 설명하는 새로운 계측에 의해 부분적으로 충족이 문제입니다.
전단 흐름에 따라 부드러운 소재의 미세 구조를 프로빙 할 수있는 새로운 기술은 부드러운 소재의 제품 엔지니어링 및 가공 조건의 최적화를 혜택을 누릴 수 있습니다. 다양한 산업 분야 및 기초 과학에 부드러운 소재의 응용 프로그램에 대한 많은 흥미와 오랜 과제는 콜로이드 현탁액의 전단 두껍게하는 등의 비정상적인 흐름 동작을 포함 2, 전단 및 벌레 같은 미셀 3 와도 밴딩, 그리고 고유의 이질성 콜로이드 젤 4-6의 흐름. Rheologists 끊임없이 microstru을 명료하게 도전을유변학 적 반응에 때로는 점탄성 물질을 전단의 속도 필드의 비선형 ctural 기원. 이 과제는 experimentalists 대해 강력 태스크를 입증 유동장의 공간 위치 및 시간에 종속 동작 모두의 함수로서 미세 구조물의 동시 수집을 필요로한다.
중성자 산란 (SANS)은 빛에 대한 불투명 한 물질을 조사 할 수 있습니다 같은 복잡한 유체의 구조를 측정하기에 특히 적합하다. 또한 선택적 중수소 7 산란 X-선에서 유사한 표시 될 요소 사이의 대조를 제공하기 위해 사용될 수있다. 생물학적 또는 다른 부드러운 물질의 샘플에는 방사선 손상이 없기 때문에 또한, 중성자는 X-광선을 통해 장점이 있습니다. 여기에 도시 된 실험에서, 반응기 또는 파쇄 소스에 의해 생성 된 냉 중성자는 시준되며 샘플에 조명. 산란 강도 이순신길이의 물질의 구조에 대한 필드들 정보 (및 매우 작은 각도 중성자가 수십 미크론까지 산란) 수백 나노 미터 원자 대미지 만 푸리에의 형태로 실 공간 구조의 변형. 따라서, 데이터의 해석은 도전 및 역변환 포함하거나 미세 모델이나 시뮬레이션에 비교 될 수있다. SANS 계측, 실험 및 대비 일치에 대한 더 많은 중성자 과학, www.cns.che.udel.edu 센터의 웹 사이트에 게시 된 튜토리얼에서 찾을 수 있습니다.
여기에 우리가 흐름에 따라 자료를 검토하는 SANS 방법을 확장 할 수 있도록 설계 전단 셀을 설명합니다. 일반적인 방법과 장비뿐만 아니라, 최근의 응용 프로그램의 실질적인 문헌 검토의 최근의 개요 참조 8 거기에 인용 된 참고 문헌에서 찾을 수 있습니다. 와 전단 흐름에서 유체 구조를 조사하기 편리하고 거의 이상적인 환경SANS는 동심 실린더 9로 알려진 좁은 간격 쿠 에트 형상이다. 입사 중성자 빔에 대한 방해되지 않는 충분한 양을 유지하면서이 구조는 샘플 간단한 (즉 층) 전단 흐름을 적용한다. 흐름의 응용 프로그램은 마이크로의 대칭성을 파괴, 간단한 전단 흐름에 따라 재료의 미세 같은 완전한 특성 전단의 세 가지면에서 미세 측정을 필요로. 전단의 두 평면은 표준 쿠 에트 형상 구성 (그림 1A)를 사용하여 조사 할 수있다 : 중성자 빔은 속도 구배 방향을 따라 여행하고 속도 – 소용돌이 (1 ~ 3) 전단의면 ( "반경"구성)을 조사하도록 구성되어 ; 대안 적으로, 빔은 이에 속도 구배-와도 (2-3)면 ( "접선"구성) 프로빙, 유동 방향에 대해 얇은 슬릿과 평행하게 배향 의해 시준된다. 이 악기는 사용 가능한 C이다ommercially 최근 전단 10에서 복잡한 유체를 조사하기위한 설명되어 있습니다. 상기 리뷰가 재료 및 응용 프로그램 (8)의 넓은 범위에 걸쳐 구조 속성 결정을위한 관련 장치의 사용과 그 설명합니다. 이러한 진동 전단 흐름에 대한 같은 시간 분해 실험은,도 11, 12을보고되었습니다.
종종 흐름의 가장 흥미롭고 가장 중요한 비행기는 속도 – 속도 기울기 (1-2) 평면 (그림 1b)하지만 그것은 특별한 수단을 필요로 조사하는 것이 가장 어렵다. 사용자 지정 전단 셀은 중성자 빔 전단 13-16의 소용돌이 축에 평행하게 이동하도록 SANS에 의한 속도 – 속도 구배 (1-2)면의 직접 조사를 할 수 있도록 설계되었습니다. 그들은 elucid 때문에 흐름의 1-2 평면에서 측정 전단 점도에 대한 정량적 인 이해를 확보에 중요한유동 방향 (15), (17, 18)에 대하여 구조의 배향을 먹었다. 이는 중합체, 자기 조립 계면 활성제, 콜로이드 및 기타 복합 체액과 같은 물질을 위해 중요하다. 또, 전단 유동의 기울기 방향의 간극에 걸쳐 위치의 함수로서 재료 '미세 구조를 조사 할 수있다. 공간 해상도의 추가로, 상기 방법은 전단의 경사 방향을 따라 미세 변화를 나타낸다 재료를 연구하기위한 수단을 제공한다. 예하는 흐름의 구배 방향을 따라 미세 구조 및 구성의 변화를 조사하는 전단 밴딩입니다. 전단 띠는 불균일 유동장 (13) 결과 미세 구조와 흐름 방향 사이의 결합에 의해 발생하는 현상이다. 네브라스카의 NIST 센터에 구현 된이 문서에서는, 우리는 악기의 조립 및 흐름 SANS 측정 기술을 설명게이 더스 버스, 메릴랜드에있는 국립 표준 기술 연구소 (NIST)에서 utron 연구 (NCNR). 이 샘플 환경은 델라웨어 대학, NIST 및 문화원 라우 – 랑주뱅 (ILL) 사이의 협력의 결과이며, 성공적으로 ILL과 NIST에서 모두 구현되었습니다. NIST에서 구현 된 프로토콜의 SANS 특정 부분을 걱정이 문서의 목적을 위해 기술이 설명된다. 그러나, 그 기기의 특정 세부 사항을 수정하는 것은 간단해야하며, 전반적인 기술은 지속적인 흐름 (5.1 절)에 대한 모든 SANS 기기에서 구현 될 수있다. 또한, 시간이 해결 SANS 기능을 갖춘 장비는 진동 전단 흐름 SANS 실험 (5.2 절)을 수행 할 수 있습니다. 전단 세포 구성 요소의 기술 도면은 그림 12-23로 제공됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
중성자 산란을 통해 전단의 속도 – 속도 구배면에서 복잡한 유체 전단의 미세 구조를 측정 할 수있는 새로운 기기 개발 및 검증됩니다. 전단 셀 디자인은 X-레이 및 광 산란뿐만 아니라 전단 (속도 – 소용돌이와 속도 그라데이션 소용돌이)의 두 개의 다른 평면의 미세 조직을 특성화 할 수 RHEO-SANS 계기로 방사선 소스를 사용하여 다른 악기를 보완 8 10. 이 기기 등의 진동 또는 시동 전단 흐름…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 디자인을위한 전단 셀 씨 세드릭 개그 논 가공 및 제도에 대한 델라웨어 대학의 석사 머시 알 랜스을 인정합니다. 이 원고는 NIST, 미국 상무부에서 협력 협정 70NANB7H6178에 따라 제조 하였다. 이 작품은 계약 번호 DMR-0944772 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에 의해 부분적으로 지원 시설을 이용했다. 문, 연구 결과, 결론 및 권고는 저자 (들)의 것이며, 반드시 NIST 또는 미국 상무부의 전망을 반영하지 않습니다.
Materials
| Deuterated Water (99.9%) | Cambridge Isotopes | 7789-20-0 | 83.3 wt % in formulation D2O |
| CTAB- Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide | Sigma-Aldrich | 57-09-0 | 16.7 wt % in formulation CH3(CH2)15N(Br)(CH3)3 |
| 1/16" Allen wrench | |||
| 3/16" Allen wrench | |||
| 3/8" open end wrench | |||
| tape | |||
| thread seal tape | |||
| syringes (2) |
References
- Larson, R. G. . The Structure and Rheology of Complex Fluids. , (1999).
- Wagner, N. J., Brady, J. F. Shear thickening in colloidal dispersions. Phys.Today. 62, 27-32 (2009).
- Fardin, M. A., et al. Potential "ways of thinking" about the shear-banding phenomenon. Soft Matter. 8, 910-922 (2012).
- Eberle, A. P. R., et al. Shear-induced anisotropy in nanoparticle gels with short-ranged interactions. Phys. Rev. Lett. , (2013).
- Zaccarelli, E. Colloidal gels: equilibrium and non-equilibrium routes. J. Phys. Cond. Matter. 19, (2007).
- Hsiao, L. C., Newman, R. S., Glotzer, S. C., Solomon, M. J. Role of isostaticity and load-bearing microstructure in the elasticity of yielded colloidal gels. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 16029-16034 (2012).
- Zemb, T., Linder, P. Neutron, X-rays, and Light. Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. Elsevier Science. 552, (2002).
- Eberle, A. P. R., Porcar, L. Flow-SANS and Rheo-SANS applied to soft matter. Curr. Opin. Coll. Inter. Sci. 17, 33-43 (2012).
- Liberatore, M. W., Nettesheim, F., Wagner, N. J., Porcar, L. Spatially resolved small-angle neutron scattering in the 1-2 plane: A study of shear-induced phase-separating wormlike micelles. Phys. Rev. E. 73, (2006).
- Porcar, L., Pozzo, D., Langenbucher, G., Moyer, J., Butler, P. D. Rheo-small-angle neutron scattering at the National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research. Rev. Sci. Instr. 82, (2011).
- Lopez-Barron, C. R., Porcar, L., Eberle, A. P. R., Wagner, N. J. Dynamics of Melting and Recrystallization in a Polymeric Micellar Crystal Subjected to Large Amplitude Oscillatory Shear Flow. Phys. Rev. Lett. 108, 258301-2510 (2012).
- Rogers, S., Kohlbrecher, J., Lettinga, M. P. The molecular origin of stress generation in worm-like micelles, using a rheo-SANS LAOS approach. Soft Matter. 8, 3831-3839 (2012).
- Helgeson, M. E., Porcar, L., Lopez-Barron, C., Wagner, N. J. Direct Observation of Flow-Concentration Coupling in a Shear-Banding Fluid. Phys. Rev. Lett. 105, (2010).
- Helgeson, M. E., Reichert, M. D., Hu, Y. T., Wagner, N. J. Relating shear banding, structure, and phase behavior in wormlike micellar solutions. Soft Matter. 5, 3858-3869 (2009).
- Helgeson, M. E., Vasquez, P. A., Kaler, E. W., Wagner, N. J. Rheology and spatially resolved structure of cetyltrimethylammonium bromide wormlike micelles through the shear banding transition. J. Rheol. 53, 727-756 (2009).
- Liberatore, M. W., et al. Microstructure and shear rheology of entangled wormlike micelles in solution. J. Rheol. 53, 441-458 (2009).
- Maranzano, B. J., Wagner, N. J. Flow-small angle neutron scattering measurements of colloidal dispersion microstructure evolution through the shear thickening transition. J. Chem. Phys. 117, 10291-10302 (2002).
- Wagner, N. J., Ackerson, B. J. Analysis of nonequilibrium structures of shearing colloidal suspensions. J. Chem. Phys. 97, 1473-1483 (1992).
- Zhou, L., Vasquez, P. A., Cook, L. P., McKinley, G. H. Modeling the inhomogeneous response and formation of shear bands in steady and transient flows of entangled liquids. J. Rheol. 52, 591-623 (2008).
- Spenley, N. A., Cates, M. E., McLeish, T. C. B. Nonlinear rheology of wormlike micelles Phys. Rev. Lett. 71, 939-942 (1993).
- Lopez-Barron, C., Gurnon, A. K., Porcar, L., Wagner, N. J. Structural Evolution of a Model, Shear-Bading Wormlike Micellar Soution during Shear Start Up and Cessation. Phys. Rev. Lett.. , (2013).
