回転せん断における高密度懸濁液のレオロジーとダイナミクス

核心概念

回転せん断中の高密度懸濁液は、従来の振動せん断と同様に非単調な粘性応答を示すが、ダイナミクスは異なり、可逆-不可逆転移は示さず、常に拡散的な挙動を示す。

要約

回転せん断における高密度懸濁液のレオロジーとダイナミクス

本論文は、数値シミュレーションを用いて、回転せん断（RS）と呼ばれる新しい非定常せん断プロトコルにおける高密度懸濁液のレオロジーとダイナミクスを調査した研究論文である。

本研究は、回転せん断下における高密度懸濁液のレオロジーとダイナミクスを調査し、従来の振動せん断（OS）との比較を行うことを目的とする。

剛体球形粒子の高密度懸濁液を対象とした数値シミュレーションを実施。
体積分率（φ）は0.40～0.55、摩擦係数（µc）は0.0～0.5の範囲で設定。
せん断振幅（γ0）を変化させ、複素粘度、法線応力差、平均二乗変位（MSD）、粒子間分布関数などの物理量を測定。
OS、RS、可逆回転せん断（RRS）の3つのせん断プロトコルを比較。

抽出されたキーインサイト

Dense Suspensions in Rotary Shear

by Naveen Kumar... 場所 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13463.pdf

深掘り質問

回転せん断における高密度懸濁液のレオロジーとダイナミクスは、粒子形状や粒子間相互作用によってどのように変化するのか？

回転せん断下における高密度懸濁液のレオロジーとダイナミクスは、粒子形状や粒子間相互作用の影響を大きく受けます。本質的に、これらの要素が懸濁液のミクロ構造を決定し、それが巨視的な挙動に影響を与えるからです。以下に、具体的な例を挙げて詳しく説明します。
粒子形状の影響

球形粒子: 上記の文章では、球形粒子を対象とした数値シミュレーションが行われ、回転せん断下では可逆-不可逆転移（RIT）が見られないという興味深い結果が示されています。これは、回転せん断という流れの性質上、球形粒子が常に接触し続け、ミクロ構造が大きく変化しないためと考えられます。
非球形粒子: もし粒子が球形ではなく、例えば楕円体やロッド状であった場合、回転せん断によって粒子が回転し、配向が生じます。この配向変化は、せん断応力や法線応力差に影響を与え、球形粒子の場合とは異なるレオロジー挙動を示す可能性があります。さらに、粒子形状が複雑になると、粒子間のインターロッキングやクラスター形成が起こりやすくなり、ダイナミクスにも大きな影響を与える可能性があります。
粒子間相互作用の影響

排除体積効果: 高密度懸濁液では、粒子が互いに押し合い、排除体積効果が生じます。この効果は、粘度増加やせん断 thickening などの非ニュートン流動挙動を引き起こします。回転せん断下では、排除体積効果は常に働き続けるため、RIT が抑制される一因となると考えられます。
摩擦力: 粒子間に摩擦力が働く場合、回転せん断によって粒子が滑りながら運動するため、エネルギー散逸が生じます。摩擦力の大きさは、粘度や法線応力差に影響を与え、回転せん断に対する応答を変化させます。上記の結果では、摩擦係数が増加すると、粘度が増加する傾向が見られます。
引力: 粒子間にファンデルワールス力などの引力が働く場合、粒子は凝集し、より複雑なミクロ構造を形成します。回転せん断下では、引力とせん断力との競合によって、ミクロ構造が動的に変化し、レオロジー挙動に影響を与える可能性があります。例えば、降伏応力を示したり、チクソトロピーを示したりする可能性があります。
今後の展望
上記のように、粒子形状や粒子間相互作用は、回転せん断下における高密度懸濁液のレオロジーとダイナミクスに多大な影響を与えます。今後、様々な形状や相互作用を持つ粒子を用いた実験やシミュレーションを行うことで、回転せん断下での複雑流体の挙動に関する理解を深めることが期待されます。

回転せん断下での高密度懸濁液のマイクロストラクチャを詳細に解析することで、可逆-不可逆転移の不在をより深く理解できるのではないか？

その通りです。回転せん断下での高密度懸濁液のマイクロストラクチャを詳細に解析することは、可逆-不可逆転移 (RIT) の不在をより深く理解するために非常に重要です。RITは、粒子が周期的なせん断運動中に元の位置に戻る可逆的な状態と、粒子が不規則な運動を示す不可逆的な状態の間の転移現象です。上記の結果では、回転せん断下ではRITが見られないという興味深い結果が示されていますが、これはマイクロストラクチャの変化と密接に関係していると考えられます。
詳細なマイクロストラクチャ解析の必要性

粒子配列の変化: 回転せん断下では、粒子は常にせん断力を受け続けるため、粒子間の相対的な位置関係が絶えず変化します。粒子配列の変化を詳細に解析することで、回転せん断下での粒子運動の特異性を明らかにする必要があります。例えば、ペア分布関数や構造因子などを用いることで、粒子間の距離や配向の秩序を定量化することができます。
接触状態の持続時間: 回転せん断下では、粒子は常に接触している状態が続きますが、接触の持続時間や接触する粒子ペアの変化を調べることで、RIT が起こらないメカニズムを解明できる可能性があります。接触状態の解析には、接触時間の分布や接触ネットワークの構造などを調べる方法が考えられます。
回転せん断と振動せん断の比較: 振動せん断下ではRIT が観測されることから、回転せん断とのマイクロストラクチャの変化を比較することで、RIT の有無を決定づける要因を特定できる可能性があります。特に、せん断方向の反転がマイクロストラクチャに与える影響を詳細に比較することが重要です。
具体的な解析手法

共焦点顕微鏡: 共焦点顕微鏡を用いることで、高密度懸濁液の３次元的なマイクロストラクチャをリアルタイムで観察することができます。回転せん断下での粒子運動や配列の変化を詳細に解析することで、RIT の不在に関する手がかりを得られる可能性があります。
散乱法: 光散乱法やX線散乱法を用いることで、懸濁液中の粒子配列に関する統計的な情報を得ることができます。回転せん断下での構造変化を解析することで、RIT の有無を決定づける構造的な特徴を明らかにできる可能性があります。
数値シミュレーション: 上記の結果では、数値シミュレーションを用いて回転せん断下での粒子運動を解析しています。シミュレーションでは、粒子位置や速度などの情報を詳細に取得できるため、マイクロストラクチャの変化を様々な角度から解析することができます。
今後の展望
回転せん断下での高密度懸濁液のマイクロストラクチャを詳細に解析することで、RIT の不在という興味深い現象のメカニズムを解明できる可能性があります。将来的には、実験とシミュレーションの両面から、マイクロストラクチャとマクロなレオロジー挙動を結びつけることで、回転せん断下での複雑流体の挙動に関する理解を深めることが期待されます。

回転せん断プロトコルは、他の複雑流体、例えばエマルジョンやフォームなどのレオロジーとダイナミクスにどのような影響を与えるのか？

回転せん断プロトコルは、エマルジョンやフォームといった他の複雑流体のレオロジーとダイナミクスにも、従来の振動せん断とは異なる影響を与える可能性があります。これらの複雑流体は、高密度懸濁液と同様に、構成要素の形状や相互作用、そしてそれによって形成されるミクロ構造が力学的特性に大きく影響します。
エマルジョン

液滴の変形と破壊: 回転せん断下では、エマルジョン中の液滴は、一定のせん断力を受け続けるため、時間経過とともに変形し、場合によっては破壊される可能性があります。液滴の変形は界面張力や粘度比に依存し、破壊は臨界的な毛細管数を超えることで起こります。回転せん断プロトコルを用いることで、液滴の変形・破壊挙動を制御できる可能性があります。
レオロジー特性への影響: 液滴の変形や破壊は、エマルジョンの粘度や法線応力差に影響を与えます。回転せん断下では、振動せん断とは異なるせん断履歴を受けるため、レオロジー特性に差が生じることが予想されます。例えば、せん断 thinning やせん断 thickening などの非ニュートン流動挙動に影響を与える可能性があります。
フォーム

気泡の再配列と合体: フォームは、気泡が液体膜によって隔てられた構造をしています。回転せん断下では、気泡は再配列し、場合によっては合体することで、フォームの構造が変化する可能性があります。気泡の再配列は、フォームの弾性や降伏応力に影響を与え、合体はフォームの安定性に影響を与えます。
排水現象への影響: フォームは、重力によって液体が排水される現象が見られます。回転せん断は、この排水現象に影響を与える可能性があります。回転せん断によって気泡が再配列することで、液体の流れが変化し、排水速度が変化する可能性があります。
回転せん断プロトコルの利点

ミクロ構造の制御: 回転せん断プロトコルを用いることで、複雑流体のミクロ構造をより精密に制御できる可能性があります。例えば、回転速度やせん断方向を調整することで、液滴の配向や気泡のサイズ分布を制御できる可能性があります。
新規材料開発への応用: 回転せん断下での複雑流体のレオロジーとダイナミクスの理解を深めることは、新規材料開発にも役立ちます。例えば、食品、化粧品、医薬品などの分野において、目的のテクスチャーや安定性を持つ製品を開発するために、回転せん断プロトコルが利用できる可能性があります。
今後の展望
回転せん断プロトコルは、エマルジョンやフォームなどの複雑流体のレオロジーとダイナミクスに新たな知見をもたらす可能性を秘めています。今後、様々な複雑流体を対象とした実験やシミュレーションを行うことで、回転せん断下での挙動を詳細に理解し、その知見を新規材料開発に役立てることが期待されます。