قياس المواد المجهرية تحت التدفق باستخدام الطائرة 1-2 التدفق الصغيرة زاوية تشتت النيوترونات
Summary
تم تطوير خلية القص للقياسات زاوية صغيرة تشتت النيوترونات في الطائرة سرعة التدرج-سرعة القص ويستخدم لوصف السوائل المعقدة. قياسات حل مكانيا في الاتجاه التدرج سرعة ممكنة لدراسة المواد القص النطاقات. وتشمل التطبيقات التحقيقات من التفرق الغروية، حلول البوليمر، والهياكل الذاتي تجميعها.
Abstract
ويرد الجديدة الصغيرة زاوية تشتت النيوترونات (SANS) عينة البيئة الأمثل لدراسة المجهرية من السوائل المعقدة تحت تدفق القص بسيطة. تتكون الخلية القص SANS من اسطوانة متحدة المركز Couette الهندسة التي مختومة وتناوب حول المحور الأفقي بحيث يتم محاذاة اتجاه الدردورية من مجال تدفق مع شعاع النيوترون تمكين نثر من الطائرة 1-2 من القص (السرعة، سرعة التدرج ، على التوالي). هذا النهج هو سلفة على بيئات عينة الخلية القص السابقة كما أن هناك الترابط القوي بين الريولوجيا السائبة والميزات المجهرية في الطائرة 1-2 من القص. تدفق عدم الاستقرار، مثل القص النطاقات، ويمكن أيضا أن تدرسها قياسات حل مكانيا. ويتم إنجاز ذلك في هذه البيئة العينة باستخدام فتحة ضيقة لشعاع النيوترون والمسح على طول اتجاه التدرج السرعة. الوقت التجارب حل، مثل تدفق المبتدئة ومتذبذبة السعة الكبيرة هيتدفق ع ممكنة أيضا تزامن حركة القص وكشف الوقت حل من النيوترونات متناثرة. النتائج التمثيلية التي تستخدم الأساليب المذكورة هنا شرح طبيعة مفيدة من القرار المكانية لقياس المجهرية من حل مذيلة wormlike التي يسلك النطاقات القص، وهي الظاهرة التي لا يمكن إلا أن يتم التحقيق عن طريق حل هيكل على طول اتجاه التدرج السرعة. أخيرا، وتناقش التحسينات المحتملة على التصميم الحالي جنبا إلى جنب مع اقتراحات للتجارب تكميلية الدافع لإجراء التجارب في المستقبل على مجموعة واسعة من السوائل المعقدة في مجموعة متنوعة من الحركات القص.
Introduction
تطوير الفهم العلمي لظاهرة طبيعية تتطلب قياسات دقيقة ودقيقة. المقاييس هي أيضا أساس الهندسة ناجحة وتصميم العمليات والمواد الجديدة. ريولوجيا هو علم تشوه وتدفق المسألة. الريولوجيا أمر أساسي في قدرتنا على معالجة مجموعة واسعة من المواد وتستخدم أيضا من قبل بالتركيب المنتج لاستهداف خصائص المواد المحددة. ومن الأمثلة النموذجية من السابق البوليمرات صب أو تشكيل المواد المركبة، في حين يتضمن هذا الأخير تطوير المنتجات الاستهلاكية اليومية مثل الدهانات، والشامبو، والأطعمة. ما إذا كان يتم التحكم في اللزوجة من البوليمر المنصهر بحيث أنه يمكن أن يكون فعال يتم تغيير حقن مصبوب أو زوجية من الشامبو لذلك فقد والاتساق الصحيح للمستهلك، يتم التحكم في خصائص الريولوجية عن طريق تغيير صياغة المادة 1. الريولوجيا من المواد والمنتجات يعتمد أيضا على ركان هيكل في ولاية السوائل ويتراوح هذا الهيكل من الميكروسكيل إلى النانو. علاوة على ذلك، يتغير هذا الهيكل مع المعلمات تجهيز، مثل معدل التدفق ووقت التدفق، التي تتحدى rheologists لقياس هيكل أثناء التدفق. هذا هو التحدي الذي التقى، في جزء منه، من قبل الأجهزة رواية الموضحة في هذه المقالة.
تقنيات الرواية قادرة على التحقيق المجهرية من مواد لينة تحت تدفق القص يمكن أن تستفيد لينة هندسة المنتجات المادية وحالة المعالجة الأمثل. العديد من التحديات المثيرة للاهتمام وطويلة الأمد لتطبيق مواد لينة في مجموعة متنوعة من الصناعات والعلوم الأساسية تنطوي على سلوك تدفق غير عادية، مثل سماكة القص في تعليق الغروية 2، القص والنطاقات الدردورية في المذيلات wormlike 3، والتغاير الكامنة في تدفق المواد الهلامية الغروية 4-6. وتحدى Rheologists باستمرار لتوضيح microstruأصول ctural من الغير خطية في الردود الريولوجية وأحيانا حتى في مجال سرعة القص المواد اللزجة. يتطلب هذا التحدي الاستحواذ في وقت واحد المجهرية بوصفها وظيفة من كل من الموقع المكاني في مجال تدفق والوقت يعتمد السلوكيات، التي أثبتت مهمة هائلة لالتجريبيون.
صغيرة نثر زاوية النيوترون (SANS) بشكل خاص مناسبة تماما لقياس بنية معقدة من السوائل لأنها يمكن سبر المواد التي هي مبهمة للضوء. أيضا معالجة بالديوتريوم الانتقائي يمكن استخدامها لتوفير التباين بين المكونات التي قد تظهر تحت مماثلة الأشعة السينية نثر 7. علاوة على ذلك، النيوترونات لديها ميزة على الأشعة السينية لعدم وجود أضرار الإشعاع العينات لينة المسألة البيولوجية أو غيرها. في التجارب يتضح هنا، والنيوترونات الباردة موازى الناتجة عن مفاعل أو مصدر تشظية ومضيئة على عينة. كثافة يي نثرelds المعلومات حول بنية المواد على طول جداول من ذرية لمئات نانومتر (ومع فائق صغيرة النيوترون نثر زاوية تصل إلى عشرات ميكرون)، ولكن في شكل تحويل فورييه للبنية الفضاء الحقيقي. وبالتالي، يمكن تفسير البيانات تكون صعبة وتنطوي على تحويل عكسية أو بالمقارنة مع النماذج المجهرية أو المحاكاة. المزيد عن SANS الأجهزة، والتجارب، ومطابقة المقابل يمكن الاطلاع على الدروس المنشورة على الموقع الإلكتروني لمركز العلوم النيوترونات، www.cns.che.udel.edu.
نحن هنا وصف خلية القص تهدف إلى توسيع الأسلوب SANS لفحص المواد تحت التدفق. لمحة الأخيرة من المنهجية العامة والأجهزة، فضلا عن مراجعة الأدبيات كبيرة من التطبيقات الحديثة يمكن العثور عليها في المرجع (8) والمراجع المشار إليها فيه. إن وجود بيئة مريحة ومثالية تقريبا لتحقيق بنية السوائل تحت تدفق القص معSANS هو ضيق الفجوة الهندسة Couette، المعروف أيضا باسم اسطوانات متحدة المركز 9. هذه الهندسة ينطبق بسيطة (أي الصفحي) تدفق القص لعينة مع الحفاظ على وحدة التخزين دون عائق كافية عن الحادث النيوترون شعاع. تطبيق تدفق يكسر التناظر من المجهرية، على هذا النحو توصيف كامل للمواد المجهرية تحت تدفق القص بسيطة يتطلب القياسات المجهرية في جميع الطائرات الثلاث من القص. قد يتم التحقيق طائرتين من القص باستخدام معيار التكوين الهندسة Couette (الشكل 1A): يتم تكوين شعاع النيوترون في السفر على طول اتجاه الانحدار وسرعة تحقيق سرعة-الدردورية (1-3) طائرة من القص (التكوين "شعاعي") ، بدلا من ذلك، يتم موازى شعاع بواسطة شق رقيقة وبالتوازي الانحياز لاتجاه التدفق، مما يحقق سرعة التدرج-الدردورية (2-3) طائرة (التكوين "عرضية"). هذا الصك متاح جوقد تم توثيق مؤخرا ommercially ومعقدة لفحص السوائل تحت القص 10. يصف الاستعراض المذكورة آنفا استخدامه وذلك من الأجهزة ذات العلاقة لتحديد هيكل الملكية عبر مجموعة واسعة من المواد والتطبيقات 8. كما تم الإبلاغ عن تجارب حل الوقت، مثل لتدفقات القص متذبذبة 11، 12.
في كثير من الأحيان الطائرة الأكثر إثارة للاهتمام والأكثر أهمية من تدفق هو التدرج السرعة العالية السرعة (1-2) الطائرة (الشكل 1B) ولكنها أيضا الأكثر صعوبة للتحقيق لأنها تتطلب أدوات خاصة. وقد تم تصميم خلية القص مخصصة لتمكين التحقيق المباشر من التدرج السرعة العالية السرعة (1-2) الطائرة من قبل SANS بحيث شعاع النيوترون يسير موازيا للمحور الدردورية من القص 13-16. القياسات في الطائرة 1-2 من تدفق حاسمة لاكتساب فهم كمي للاللزوجة القص لأنها elucidأكلت توجه هيكل النسبي لاتجاه تدفق 15، 17، 18. هذا مهم بالنسبة للمواد مثل البوليمرات، السطحي الذاتي تجميعها، الغرويات، والسوائل الأخرى المعقدة. بالإضافة إلى ذلك، فمن الممكن لتحقيق المجهرية المواد 'كدالة للموقف عبر الفجوة في الاتجاه التدرج من تدفق القص. مع إضافة القرار المكانية، ويوفر الأسلوب وسيلة للمواد التي تظهر التغييرات المجهرية على طول اتجاه التدرج من القص الدراسة. على سبيل المثال التي تحقق التغييرات في المجهرية والتكوين على طول اتجاه التدرج من تدفق القص النطاقات. القص النطاقات ظاهرة الناجمة عن اقتران بين المجهرية واتجاه التدفق الذي ينتج في حقل التدفق غير متجانسة 13. في هذه المقالة، ونحن تصف الصك، والتجمع، وتقنية قياس التدفق SANS كما نفذت في مركز نيست للنيالبحث utron (NCNR) في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (نيست) في غايثرسبيرغ، MD. هذه البيئة العينة هو نتيجة للتعاون بين جامعة ولاية ديلاوير، نيست ومعهد لاو-انجيفين (سوء)، وقد تم تنفيذه بنجاح في كل من المرضى ونيست. لأغراض هذه المادة، حيث الأجزاء SANS المحددة للبروتوكول قلقون، وصفت هذه التقنية كما نفذت في نيست. ومع ذلك، وتعديل تلك التفاصيل الصك محددة ينبغي أن تكون واضحة ويمكن تنفيذها التقنية الشاملة على أي صك SANS عن التدفق المستمر (القسم 5.1). بالإضافة إلى ذلك، قد صكوك مجهزة SANS قدرات حل الوقت أيضا إجراء تجارب القص متذبذبة تدفق SANS (القسم 5.2). وتقدم الرسومات الفنية لمكونات الخلية القص كما الأرقام 12-23.
Protocol
Representative Results
Discussion
ووضع أداة جديدة قادرة على قياس المجهرية من القص السوائل المعقدة في الطائرة سرعة التدرج-سرعة القص عبر نثر صغيرة زاوية النيوترون والتحقق من صحتها. تصميم خلية القص يكمل الصكوك الأخرى التي تستخدم مصادر الإشعاع، مثل الأشعة السينية وتشتت الضوء، فضلا عن الصكوك التيار الكه…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن نعترف ماجستير الماكنه آل انس من جامعة ولاية ديلاوير لبالقطع الخلية القص والسيد سيدريك غانيون لتصميم وصياغة. تم إعداد هذه المخطوطة بموجب اتفاقية تعاونية 70NANB7H6178 من نيست، وزارة التجارة الأمريكية. هذا العمل المستخدمة مرافق بدعم جزئي من المؤسسة القومية للعلوم في إطار الاتفاق رقم DMR-0944772. البيانات والنتائج والاستنتاجات والتوصيات هي آراء الكاتب (ق) و لا تعكس بالضرورة وجهة نظر نيست أو وزارة التجارة الأمريكية.
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).
