1〜2平面フロー小角中性子散乱を用いた材料の微細構造の下で流量を測定

自然現象の科学的な理解を開発することは、正確かつ精密な測定が必要となります。度量衡は。 レオロジーは物質の変形と流動の科学でも、新しいプロセスや材料の成功エンジニアリングおよび設計の基礎である。レオロジーは、多種多様な材料を処理する能力に中心的であり、また、特定の材料特性を標的とする製品の配合者によって使用される。後者は、塗料、シャンプー、食品などの日常消費者製品の開発を含む前者の代表例としては、成形ポリマーまたは複合材料の形成が挙げられる。そのように、それが消費者のための正しい整合性を有する効果的に、射出成形またはシャンプーの粘弾性が変更されることができるように、溶融ポリマーの粘度が制御されているかどうか、レオロジー特性は、材料¹の配合を変えることによって制御される。材料や製品のレオロジーはまた、Tに依存彼は、流体の状態で構造化し、この構造体は、マイクロスケールからナノスケールの範囲である。さらに、この構造は、フロー中の構造を測定するためにrheologistsに挑戦する流れの流速と時間のような処理パラメータによって変化する。これは、この資料に記載された新規計測機器によって部分的に満たされたこの挑戦である。

せん断流動下軟質材料の微細構造を探査することができる新規な技術は柔らかい素材の製品エンジニアリングおよび処理条件の最適化を受けることができます。様々な業界での基本科学の柔らかい材料の適用のための多くの魅力的かつ長期的な課題は、このようなコロイド懸濁液²のせん断肥厚として、ひも状ミセル^3、およびに固有の不均質性のせん断および渦バンディングを異常な流動挙動を伴うコロイドゲル^4-6の流れを制御する。 Rheologists常にmicrostruを解明するために挑戦しているレオロジー応答において、時には粘弾性材料をせん断速度場の非線形性のctural起源。この課題は、実験家にとって素​​晴らしい作業を証明した流れ場の空間的位置と時間に依存する行動は、両方の関数としての微細構造の同時取得が必要になります。

小角中性子散乱（SANS）は、光に対して不透明な物質をプローブすることができるように、複雑な流体の構造を測定するのに特に適している。また、選択重水素^7散乱 X線の下で同様に見えることができるコンポーネント間のコントラストを提供するために使用することができる。生物学的または他のソフトマターのサンプルのない放射線損傷がないように、さらに、中性子はX線の上の利点を有する。ここでは図示の実験では、反応器又は破砕源によって生成冷中性子を試料上にコリメートされ、照明される。散乱強度YI数百ナノメートルまでelds原子から長さスケールでの物質の構造に関する情報を（そして超小角中性子は数十ミクロンまで飛散した）が、フーリエ変換の形で実空間構造の変換。そのため、データの解釈は困難な場合が、逆変換や微細構造のモデルやシミュレーションとの比較を必要とすることができます。 SANS機器、実験、コントラスト·マッチングの詳細は、中性子科学センター、www.cns.che.udel.eduのウェブサイトに掲載のチュートリアルに記載されています。

ここでは、流れの下で材料を検査するSANS方法を拡張するために設計せん断セルを記載している。一般的な方法論および計測だけでなく、最近のアプリケーションのかなりの文献レビューの最近の概要を参照⁸およびそこに引用されている参考文献に記載されています。とせん断流動下で流体構造を探査するための便利で、ほぼ理想的な環境SANは、また同心円筒⁹として知られている狭いギャップクエットジオメトリです。入射中性子ビームのための十分な遮るもののないボリュームを維持しながら、この幾何学的形状を試料に単純な（ すなわち 、層）剪断流を適用する。フローの適用は、微細構造の対称性を破る。単純せん断流れの下で、材料の微細構造のような完全な特性は、剪断の3つのすべての面における微細構造の測定を必要とする。剪断の二つの平面は、標準クエット幾何学構成（ 図1a）を用いて調べることができる：中性子ビームは、速度勾配方向に沿って移動し、剪断速度、渦度（1-3）面（「半径方向」構成）をプローブするように構成されている、或いは、ビームは、それによって、速度勾配渦度（2-3）面（「接線」構成）をプロービング、流れ方向に薄いスリットと平行に整列によりコリメートされる。この装置は、利用可能なCですommercially、最近せん断¹⁰の下に複雑な流体を検査するための文書化されています。上記の見直し、材料やアプリケーション⁸の幅広い構造特性決定のためのその使用および関連デバイスのそれを説明しています。このような振動剪断流れのような時間分解実験は、また^{、11、12に}報告されている。

多くの場合、流れの中で最も興味深く、最も重要な面は、速度、速度勾配（1-2）面（ 図1b）であるが、それは特殊な計測を必要とするよう検討することも最も困難である。カスタム剪断セルは、中性子ビーム剪断^13-16の渦度軸に平行に移動するように、SANSによる速度-速度勾配（1-2）面の直接の調査を可能にするために設計されている。彼らはelucidので流れの1〜2面内での測定値は、せん断粘度のための定量的な理解を得るために重要である流れ方向^{15、17、18、}構造の向きを食べた。これは、ポリマー、自己組織化界面活性剤、コロイド、およびその他の複雑な流体のような材料のために重要である。また、剪断流の勾配方向のギャップを横切る位置の関数として材料「微細構造を調べることができる。空間分解能を加えて、この方法は、剪断勾配の方向に沿って組織変化を示す材料を研究するための手段を提供する。流れの勾配方向に沿って微細構造および組成の変化を調査するための例は、剪断バンディングである。剪断バンディングは、不均一な流れ場¹³を生じる微細構造と流れの方向との間の結合によって引き起こされる現象である。 NEのNISTのセンターで実施されるように、この記事では、測定器、そのアセンブリおよびフローSANS測定技術について説明しますゲーサーズバーグ、メリーランド州の国立標準技術研究所（NIST）の研究（NCNR）utron。このサンプル環境は、デラウェア大学、NISTおよび研究所ラウエランジュバン – （ILL）の間のコラボレーションの結果であり、成功しILLとNISTの両方で実施さ​​れている。 SANSプロトコルの特定の部分に関しては、この記事の目的のために、技術は、NISTで実施されるように記載されている。しかし、これらの楽器の特定の詳細を変更することは簡単でなければならず、全体的な技術が定常流（セクション5.1）のための任意のSANS機器に実装することができます。また、時間分解SANS機能を搭載した機器はまた、振動せん断流れSANS実験（セクション5.2）を実行することができる。剪断セル構成要素の技術的な図面 ​​は、 図12-23のように設けられている。