1-2 विमान फ्लो छोटे कोण न्यूट्रॉन बिखरने का उपयोग कर सामग्री Microstructure तहत प्रवाह को मापने
Summary
एक कतरें सेल कतरनी के वेग वेग ढाल विमान में छोटे कोण न्यूट्रॉन के बिखरने माप के लिए विकसित की है और जटिल तरल पदार्थ को चिह्नित करने के लिए प्रयोग किया जाता है. वेग ढाल दिशा में स्थानिक संकल्प लिया माप कतरनी बैंडिंग सामग्री का अध्ययन करने के लिए संभव हो रहे हैं. ऐप्लकेशन dispersions कोलाइडयन की जांच, बहुलक समाधान, और आत्म इकट्ठे संरचनाओं में शामिल हैं.
Abstract
सरल कतरनी प्रवाह के तहत जटिल तरल पदार्थ के microstructure के अध्ययन के लिए अनुकूलित एक नए छोटे कोण न्यूट्रॉन के बिखरने (बिना) नमूना वातावरण प्रस्तुत किया है. बिना कतरनी सेल प्रवाह क्षेत्र के vorticity दिशा न्यूट्रॉन बीम कतरनी की 1-2 विमान (वेग वेग ढाल से बिखरने सक्रिय करने के साथ गठबंधन किया है इतना है कि सील और एक क्षैतिज अक्ष के बारे में घूर्णन है कि एक गाढ़ा सिलेंडर Couette ज्यामिति के होते हैं , क्रमशः). कतरनी की 1-2 विमान में थोक rheology और microstructural सुविधाओं के बीच एक मजबूत युग्मन के रूप में वहाँ इस दृष्टिकोण पिछले कतरनी सेल नमूना वातावरण पर एक अग्रिम है. ऐसे कतरनी बैंडिंग के रूप में प्रवाह अस्थायित्व, भी स्थानिक संकल्प लिया माप द्वारा अध्ययन किया जा सकता है. इस वेग ढाल दिशा साथ न्यूट्रॉन बीम और स्कैनिंग के लिए एक संकीर्ण एपर्चर का उपयोग करके यह नमूना वातावरण में पूरा किया है. ऐसे प्रवाह शुरू अप और बड़े आयाम oscillatory के रूप में समय से हल प्रयोगों, वहगिरफ्तारी प्रवाह कतरनी गति और बिखरे हुए न्यूट्रॉन के समय हल का पता लगाने के तुल्यकालन से भी संभव है. यहाँ उल्लिखित तरीकों का उपयोग प्रतिनिधि परिणाम कतरनी बैंडिंग, केवल वेग ढाल दिशा साथ संरचना हल करने के द्वारा जांच की जा सकता है कि एक घटना दर्शाती है कि एक wormlike मिसेल समाधान के microstructure मापने के लिए स्थानिक संकल्प की उपयोगी प्रकृति प्रदर्शित करता है. अंत में, वर्तमान डिजाइन करने के लिए संभावित सुधार कतरनी गतियों की एक किस्म में जटिल तरल पदार्थ की एक विस्तृत रेंज पर भविष्य प्रयोगों के लिए प्रेरणा के रूप में अनुपूरक प्रयोगों के लिए सुझावों के साथ चर्चा कर रहे हैं.
Introduction
एक प्राकृतिक घटना के एक वैज्ञानिक समझ का विकास सही और सटीक माप की आवश्यकता है. मेट्रोलोजी. Rheology बात की विकृति और प्रवाह का विज्ञान है भी नई प्रक्रियाओं और सामग्री की सफल इंजीनियरिंग और डिजाइन का आधार है. Rheology सामग्री की एक विस्तृत विविधता पर कार्रवाई करने की क्षमता में केंद्रीय है और भी विशिष्ट गुण सामग्री लक्षित करने के लिए उत्पाद भेजा द्वारा प्रयोग किया जाता है. उत्तरार्द्ध ऐसे पेंट, शैंपू, और खाद्य पदार्थ के रूप में हर रोज उपभोक्ता उत्पादों का विकास भी शामिल है, जबकि पूर्व की विशिष्ट उदाहरण, ढलाई पॉलिमर या बनाने कंपोजिट में शामिल हैं. यह इसलिए है कि यह उपभोक्ता के लिए सही निरंतरता है प्रभावी ढंग से ढाला इंजेक्शन या एक शैम्पू का viscoelasticity बदला जा सकता है ताकि पिघला हुआ बहुलक का चिपचिपापन नियंत्रित किया जाता है, चाहे rheological गुण सामग्री 1 के निर्माण बदलकर नियंत्रित कर रहे हैं. सामग्री और उत्पादों के rheology भी टी पर निर्भर करता हैवह द्रव राज्य में संरचना और इस संरचना microscale से nanoscale को चलाता है. इसके अलावा, इस संरचना इस तरह के प्रवाह के दौरान संरचना को मापने के लिए rheologists चुनौतियों जो प्रवाह के प्रवाह की दर और समय, के रूप में प्रसंस्करण मानकों, के साथ बदलता है. यह इस आलेख में वर्णित उपन्यास इंस्ट्रूमेंटेशन द्वारा, भाग में, पूरा किया जाता है कि इस चुनौती है.
कतरनी प्रवाह के तहत नरम सामग्री के microstructure जांच कर रही करने में सक्षम उपन्यास तकनीक नरम सामग्री इंजीनियरिंग उत्पाद और प्रसंस्करण हालत अनुकूलन लाभ उठा सकते हैं. विभिन्न प्रकार के उद्योगों में और मौलिक विज्ञान में नरम सामग्री के आवेदन के लिए कई पेचीदा और लंबे समय से चली आ रही चुनौतियों जैसे कोलाइडयन निलंबन में कतरनी उमड़ना के रूप में असामान्य प्रवाह व्यवहार शामिल 2, कतरनी और wormlike मिसेल्स 3 में vorticity बैंडिंग, और में निहित विषमताओं कोलाइडयन जैल 4-6 के प्रवाह. Rheologists लगातार microstru स्पष्ट करने के लिए चुनौती दी हैrheological प्रतिक्रियाओं में है और कभी भी viscoelastic सामग्री कर्तन के वेग क्षेत्र में nonlinearities की ctural मूल. इस चुनौती experimentalists के लिए एक कठिन कार्य साबित हो गया है जो प्रवाह क्षेत्र में स्थानिक स्थान और समय निर्भर व्यवहार, दोनों के रूप में एक समारोह microstructure के एक साथ अधिग्रहण की आवश्यकता है.
छोटे कोण न्यूट्रॉन बिखरने (बिना) यह प्रकाश को अपारदर्शी हैं कि सामग्री की जांच कर सकते हैं के रूप में जटिल तरल पदार्थ की संरचना को मापने के लिए विशेष रूप से अच्छी तरह से अनुकूल है. इसके अलावा चुनिंदा deuteration 7 बिखरने एक्स – रे के तहत इसी तरह प्रकट हो सकता है कि घटकों के बीच विपरीत प्रदान करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. जैविक या अन्य मुलायम बात नमूनों की कोई विकिरण क्षति के रूप में वहाँ इसके अलावा, न्यूट्रॉन एक्स – रे पर एक फायदा है. यहाँ सचित्र प्रयोगों में, एक रिएक्टर या एक Spallation स्रोत से उत्पन्न ठंड न्यूट्रॉन collimated कर रहे हैं और एक नमूना पर प्रबुद्ध. बिखरने तीव्रता यीलंबाई पर सामग्री की संरचना के बारे में elds जानकारी (और अल्ट्रा छोटे कोण न्यूट्रॉन माइक्रोन के दसियों तक बिखरने के साथ) नैनोमीटर के सैकड़ों करने के लिए परमाणु से तराजू, लेकिन एक फूरियर के रूप में वास्तविक अंतरिक्ष संरचना का बदलना. इसलिए, डेटा की व्याख्या को चुनौती देने और एक व्युत्क्रम को बदलने शामिल या microstructural मॉडल या सिमुलेशन के लिए तुलना कर सकते हैं. बिना उपकरण, प्रयोगों, और इसके विपरीत मिलान के बारे में अधिक न्यूट्रॉन विज्ञान, www.cns.che.udel.edu के लिए केंद्र के वेब साइट पर पोस्ट ट्यूटोरियल पर पाया जा सकता है.
यहाँ हम प्रवाह के तहत सामग्री की जांच करने के लिए बिना विधि का विस्तार करने के लिए बनाया गया एक कतरनी सेल का वर्णन. सामान्य कार्यप्रणाली और इंस्ट्रूमेंटेशन, साथ ही हाल ही में आवेदन का एक बड़ा साहित्य की समीक्षा के हाल के एक सिंहावलोकन संदर्भ में 8 और उसमें उद्धृत संदर्भ में पाया जा सकता है. साथ कतरनी प्रवाह के तहत तरल पदार्थ की संरचना की जांच के लिए एक सुविधाजनक और लगभग एक आदर्श वातावरणबिना भी गाढ़ा सिलेंडरों 9 के रूप में जाना एक संकरी खाई Couette ज्यामिति, है. घटना न्यूट्रॉन बीम के लिए एक पर्याप्त अबाधित मात्रा को बनाए रखते हुए इस ज्यामिति नमूना करने के लिए एक सरल (यानी लामिना) कतरनी प्रवाह लागू होता है. प्रवाह के आवेदन microstructure की समरूपता टूट जाता है, सरल कतरनी प्रवाह के तहत सामग्री microstructure के इस तरह के एक पूरा लक्षण वर्णन कतरनी के सभी तीन विमानों में microstructural माप की आवश्यकता के रूप में. कतरनी के दो विमानों मानक Couette ज्यामिति विन्यास (चित्रा 1 ए) का उपयोग कर जांच की जा सकती है: न्यूट्रॉन बीम वेग ढाल दिशा साथ यात्रा करते हैं और वेग vorticity (1-3) कतरनी के विमान ("रेडियल" विन्यास) की जांच के लिए कॉन्फ़िगर किया गया है , वैकल्पिक रूप से, किरण जिससे वेग ढाल vorticity (2-3) विमान ("स्पर्शरेखा" विन्यास) की जांच कर रही है, प्रवाह दिशा करने के लिए एक पतली भट्ठा और गठबंधन समानांतर द्वारा collimated है. इस उपकरण उपलब्ध है गommercially और हाल ही में कतरनी 10 के तहत जटिल तरल पदार्थ की जांच के लिए दर्ज किया गया है. aforementioned समीक्षा सामग्री और अनुप्रयोगों 8 की एक विस्तृत रेंज में संरचना संपत्ति निर्धारण के लिए संबंधित उपकरणों के अपने प्रयोग और उस का वर्णन करता है. ऐसे oscillatory कतरनी प्रवाह के लिए के रूप में समय हल प्रयोगों, भी 11, 12 सूचित किया गया है.
अक्सर प्रवाह का सबसे दिलचस्प और सबसे महत्वपूर्ण विमान वेग वेग ढाल (1-2) विमान (चित्रा 1 बी) है, लेकिन यह विशेष इंस्ट्रूमेंटेशन की आवश्यकता के रूप में जांच करने के लिए भी सबसे कठिन है. एक कस्टम कतरनी सेल न्यूट्रॉन बीम कतरनी 13-16 की vorticity धुरी के समानांतर यात्रा ऐसी है कि बिना द्वारा वेग वेग ढाल (1-2) विमान की प्रत्यक्ष जांच के लिए सक्षम बनाया गया है. वे elucid क्योंकि प्रवाह की 1-2 विमान में माप कतरनी चिपचिपापन के लिए एक मात्रात्मक समझ पाने के लिए महत्वपूर्ण हैंप्रवाह की दिशा में 15, 17, 18 के लिए संरचना रिश्तेदार के उन्मुखीकरण खा लिया. इस तरह के पॉलिमर, आत्म इकट्ठे surfactants, कोलाइड, और अन्य जटिल तरल पदार्थ के रूप में सामग्री के लिए महत्वपूर्ण है. इसके अलावा, यह कतरनी प्रवाह की ढाल दिशा में अंतर भर में स्थिति के एक समारोह के रूप में सामग्री 'microstructure जांच करने के लिए संभव है. स्थानिक संकल्प के साथ इसके अलावा, विधि कतरनी की ढाल दिशा साथ microstructural परिवर्तन है कि प्रदर्शन सामग्री के अध्ययन के लिए एक साधन प्रदान करता है. जिनमें से एक उदाहरण के लिए प्रवाह की ढाल दिशा साथ microstructure और संरचना में परिवर्तन की जांच कतरनी बैंडिंग है. कतरें बैंडिंग एक inhomogeneous प्रवाह क्षेत्र 13 में यह परिणाम है कि microstructure और प्रवाह दिशा के बीच एक युग्मन के कारण एक घटना है. पूर्वोत्तर के लिए NIST सेंटर में कार्यान्वित के रूप में इस अनुच्छेद में, हम साधन, अपने विधानसभा और प्रवाह के बिना माप तकनीक का वर्णनएमडी में राष्ट्रीय मानक संस्थान और प्रौद्योगिकी (NIST) में Utron रिसर्च (NCNR). यह नमूना पर्यावरण डेलावेयर विश्वविद्यालय, NIST और Institut Laue-Langevin (बीमार) के बीच सहयोग का परिणाम है, और सफलतापूर्वक बीमार और NIST दोनों पर लागू किया गया है. NIST पर कार्यान्वित के रूप में प्रोटोकॉल के बिना विशिष्ट भागों में चिंतित हैं, जहां इस अनुच्छेद के प्रयोजनों के लिए, तकनीक वर्णित है. हालांकि, उन साधन विशिष्ट विवरण संशोधित सीधा होना चाहिए और समग्र तकनीक सतत प्रवाह (धारा 5.1) के लिए किसी भी बिना लिखत पर लागू किया जा सकता है. इसके अलावा, समय हल बिना क्षमताओं से लैस यंत्र भी oscillatory कतरनी प्रवाह के बिना प्रयोगों (धारा 5.2) प्रदर्शन कर सकते हैं. कतरनी सेल घटकों के तकनीकी चित्र आंकड़े 12-23 के रूप में प्रदान की जाती हैं.
Protocol
Representative Results
Discussion
छोटे कोण न्यूट्रॉन के बिखरने के माध्यम से कतरनी के वेग वेग ढाल विमान में जटिल तरल पदार्थ कर्तन के microstructure मापने में सक्षम एक नया उपकरण विकसित किया है और मान्य है. कतरनी सेल डिजाइन इस तरह के एक्स – रे और प्रक?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम डिजाइन के लिए कतरनी सेल और श्री सेड्रिक Gagnon मशीनिंग और मसौदा तैयार करने के लिए डेलावेयर विश्वविद्यालय के मास्टर इंजीनियर अल लांस को स्वीकार करते हैं. इस पांडुलिपि NIST, अमेरिकी वाणिज्य विभाग की ओर से सहकारी समझौते 70NANB7H6178 के तहत तैयार किया गया था. इस काम के समझौते सं DMR-0944772 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित सुविधाओं का उपयोग किया. बयान, निष्कर्ष, निष्कर्ष और सिफारिशें लेखक (ओं) के हैं और इनका NIST या अमेरिकी वाणिज्य विभाग की निगाह प्रतिबिंबित नहीं करते हैं.
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) |
Referências
- 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).
