אנו מכירים מאסטר מכונאי אל אנס של אוניברסיטת דלאוור לעיבוד תא הגזירה ומר סדריק גניון לעיצוב ועריכה. כתב יד זה הוכן על פי הסכם שיתוף פעולה 70NANB7H6178 מNIST, משרד מסחר של ארה&quot;ב. עבודה זו מנוצל מתקנים נתמכים בחלקו על ידי הקרן הלאומית למדע על פי הסכם מס &#39;DMR-0,944,772. הדוחות, הממצאים, מסקנות וההמלצות הם אלה של המחבר (ים) ואינן משקפות בהכרח את התצוגה של NIST או משרד מסחר של ארה&quot;ב.

<ol>
	<li>Larson, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Structure and Rheology of Complex Fluids. , (1999).</li><li>Wagner, N. J., Brady, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shear+thickening+in+colloidal+dispersions.">Shear thickening in colloidal dispersions.</a> Phys.Today. 62, 27-32 (2009).</li><li>Fardin, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+&amp;#34;ways+of+thinking&amp;#34;+about+the+shear-banding+phenomenon.">Potential &amp;#34;ways of thinking&amp;#34; about the shear-banding phenomenon.</a> Soft Matter. 8, 910-922 (2012).</li><li>Eberle, A. P. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shear-induced+anisotropy+in+nanoparticle+gels+with+short-ranged+interactions.">Shear-induced anisotropy in nanoparticle gels with short-ranged interactions.</a> Phys. Rev. Lett. , (2013).</li><li>Zaccarelli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Colloidal+gels:+equilibrium+and+non-equilibrium+routes.">Colloidal gels: equilibrium and non-equilibrium routes.</a> J. Phys. Cond. Matter. 19, (2007).</li><li>Hsiao, L. C., Newman, R. S., Glotzer, S. C., Solomon, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+isostaticity+and+load-bearing+microstructure+in+the+elasticity+of+yielded+colloidal+gels.">Role of isostaticity and load-bearing microstructure in the elasticity of yielded colloidal gels.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 16029-16034 (2012).</li><li>Zemb, T., Linder, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neutron,+X-rays,+and+Light.+Scattering+Methods+Applied+to+Soft+Condensed+Matter.">Neutron, X-rays, and Light. Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter.</a> Elsevier Science. 552, (2002).</li><li>Eberle, A. P. R., Porcar, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow-SANS+and+Rheo-SANS+applied+to+soft+matter.">Flow-SANS and Rheo-SANS applied to soft matter.</a> Curr. Opin. Coll. Inter. Sci. 17, 33-43 (2012).</li><li>Liberatore, M. W., Nettesheim, F., Wagner, N. J., Porcar, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatially+resolved+small-angle+neutron+scattering+in+the+1-2+plane:+A+study+of+shear-induced+phase-separating+wormlike+micelles.">Spatially resolved small-angle neutron scattering in the 1-2 plane: A study of shear-induced phase-separating wormlike micelles.</a> Phys. Rev. E. 73, (2006).</li><li>Porcar, L., Pozzo, D., Langenbucher, G., Moyer, J., Butler, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheo-small-angle+neutron+scattering+at+the+National+Institute+of+Standards+and+Technology+Center+for+Neutron+Research.">Rheo-small-angle neutron scattering at the National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research.</a> Rev. Sci. Instr. 82, (2011).</li><li>Lopez-Barron, C. R., Porcar, L., Eberle, A. P. R., Wagner, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+Melting+and+Recrystallization+in+a+Polymeric+Micellar+Crystal+Subjected+to+Large+Amplitude+Oscillatory+Shear+Flow.">Dynamics of Melting and Recrystallization in a Polymeric Micellar Crystal Subjected to Large Amplitude Oscillatory Shear Flow.</a> Phys. Rev. Lett. 108, 258301-2510 (2012).</li><li>Rogers, S., Kohlbrecher, J., Lettinga, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+molecular+origin+of+stress+generation+in+worm-like+micelles,+using+a+rheo-SANS+LAOS+approach.">The molecular origin of stress generation in worm-like micelles, using a rheo-SANS LAOS approach.</a> Soft Matter. 8, 3831-3839 (2012).</li><li>Helgeson, M. E., Porcar, L., Lopez-Barron, C., Wagner, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Observation+of+Flow-Concentration+Coupling+in+a+Shear-Banding+Fluid.">Direct Observation of Flow-Concentration Coupling in a Shear-Banding Fluid.</a> Phys. Rev. Lett. 105, (2010).</li><li>Helgeson, M. E., Reichert, M. D., Hu, Y. T., Wagner, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relating+shear+banding,+structure,+and+phase+behavior+in+wormlike+micellar+solutions.">Relating shear banding, structure, and phase behavior in wormlike micellar solutions.</a> Soft Matter. 5, 3858-3869 (2009).</li><li>Helgeson, M. E., Vasquez, P. A., Kaler, E. W., Wagner, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheology+and+spatially+resolved+structure+of+cetyltrimethylammonium+bromide+wormlike+micelles+through+the+shear+banding+transition.">Rheology and spatially resolved structure of cetyltrimethylammonium bromide wormlike micelles through the shear banding transition.</a> J. Rheol. 53, 727-756 (2009).</li><li>Liberatore, M. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstructure+and+shear+rheology+of+entangled+wormlike+micelles+in+solution.">Microstructure and shear rheology of entangled wormlike micelles in solution.</a> J. Rheol. 53, 441-458 (2009).</li><li>Maranzano, B. J., Wagner, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow-small+angle+neutron+scattering+measurements+of+colloidal+dispersion+microstructure+evolution+through+the+shear+thickening+transition.">Flow-small angle neutron scattering measurements of colloidal dispersion microstructure evolution through the shear thickening transition.</a> J. Chem. Phys. 117, 10291-10302 (2002).</li><li>Wagner, N. J., Ackerson, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+nonequilibrium+structures+of+shearing+colloidal+suspensions.">Analysis of nonequilibrium structures of shearing colloidal suspensions.</a> J. Chem. Phys. 97, 1473-1483 (1992).</li><li>Zhou, L., Vasquez, P. A., Cook, L. P., McKinley, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+inhomogeneous+response+and+formation+of+shear+bands+in+steady+and+transient+flows+of+entangled+liquids.">Modeling the inhomogeneous response and formation of shear bands in steady and transient flows of entangled liquids.</a> J. Rheol. 52, 591-623 (2008).</li><li>Spenley, N. A., Cates, M. E., McLeish, T. C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+rheology+of+wormlike+micelles+Phys.">Nonlinear rheology of wormlike micelles Phys.</a> Rev. Lett. 71, 939-942 (1993).</li><li>Lopez-Barron, C., Gurnon, A. K., Porcar, L., Wagner, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+Evolution+of+a+Model,+Shear-Bading+Wormlike+Micellar+Soution+during+Shear+Start+Up+and+Cessation.">Structural Evolution of a Model, Shear-Bading Wormlike Micellar Soution during Shear Start Up and Cessation.</a> Phys. Rev. Lett.. , (2013).</li></ol>

יש המחברים אין לחשוף.

מכשיר חדש מסוגל למדוד מיקרו של גז נוזלים מורכבים במישור שיפוע מהירות-המהירות של גזירה באמצעות פיזור ניטרונים זווית קטן מפותח ומאומתים. עיצוב תא הגזירה משלים מכשירים אחרים באמצעות מקורות קרינה, כגון קרן רנטגן ופיזור אור, כמו גם מכשירי rheo-SANS מסוגלים אפיון מיקרו בשני מ?...

פיתוח של תופעה טבעית הבנה מדעית דורש מדידות מדויקות ומדויקות. מטרולוגיה היא גם הבסיס להנדסה ועיצוב מוצלחים של תהליכים וחומרים חדשים. Rheology הוא המדע של העיוות והזרימה של חומר. Rheology הוא מרכזי ביכולת שלנו לעבד את המגוון רחב של חומרים ומשמש גם על ידי מנסחי מוצר למקד תכונות חומר ספציפיות. דוגמאות אופייניות לשעבר כוללות פולימרים דפוס או מרוכבים להרכיב, ואילו השני כולל את הפיתוח של מוצרים צריכה יומיומיים כגון צבעים, שמפו, ומזונות. בין אם את הצמיגות של פולימר מותך נשלטת כך שהוא יכול להיות יעיל הזרקה המכוירת או viscoelasticity של שמפו משתנה כך שיש העקביות הנכונה עבור הצרכן, מאפייני rheological נשלטים על ידי שינוי הניסוח של החומר 1. Rheology של חומרים ומוצרים תלויים גם בtהוא המבנה במצב הנוזל ומבנה זה נע בין microscale לקנה המידה ננומטרי. יתר על כן, מבנה זה משתנה עם הפרמטרים העיבוד, כגון קצב זרימה ושעה של זרימה, אשר קורא תיגר rheologists למדוד את המבנה במהלך זרימה. זה האתגר הזה, כי הוא נפגש, בין שאר, על ידי המכשור החדשני שתואר במאמר זה. טכניקות חדשניות מסוגלים לחקור את מיקרו של חומרים רכים תחת זרימת גזירה יכולות להועיל להנדסת מוצר חומר רכה ומצב עיבוד אופטימיזציה. אתגרים מרתקים וארוכות שנים רבות ליישום של חומרים רכים במגוון רחב של תעשיות ובמדע בסיסי כרוכים יוצאת דופן התנהגות זרימה, כגון עיבוי גזירה במתלי colloidal 2, גזירה ופסי ערבוליות במיצלות התולעת 3, וheterogeneities הגלום ב זרימה של ג&#39;לים colloidal 4-6. Rheologists כל הזמן מאותגרים על מנת להבהיר את microstruמקורות ctural של לינאריות בתגובות rheological ולפעמים גם בתחום המהירות של גז חומרי viscoelastic. אתגר זה מחייב רכישה בו זמנית של מיקרו כפונקציה של שני המיקום המרחבי בשדה הזרימה וזמן התנהגויות תלויות, אשר הוכיח את משימה אדירה עבור experimentalists. פיזור ניטרונים קטן זווית (SANS) הוא גם מתאים במיוחד למדידת המבנה של נוזלים מורכבים כפי שהוא יכול לחקור חומרים שהם אטומים לאור. גם deuteration סלקטיבית יכול לשמש כדי לספק ניגוד בין רכיבים שעשויים להיראות דומה תחת רנטגן פיזור 7. יתר על כן, יש לי ניטרונים יתרון על קרני ה-X כפי שאין נזקי קרינה של דגימות רך חומר ביולוגיים או אחרות. בניסויים המאוירים כאן, ניטרונים קרים שנוצרו על ידי כור או מקור spallation הם collimated ומואר על מדגם. Yi עוצמת הפיזורמידע elds על מבנה החומר באורך מאזניים מהאטום עד מאות ננומטרים (ועם הנויטרונים זווית קטנים במיוחד פיזור עד עשרות מיקרונים), אבל בצורה של התמרה פורייה של מבנה החלל האמיתי. לכן, פרשנות של הנתונים יכולה להיות מאתגרת וכרוך הפוך להפוך או השוואה למודלים או סימולציות microstructural. ניתן למצוא מידע נוסף על מכשור SANS, ניסויים, והתאמת ניגוד על הדרכות יפורסמו באתר האינטרנט של המרכז לניוטרון מדע, www.cns.che.udel.edu. כאן אנו מתארים תא גזירה שנועד להאריך את שיטת SANS לבחון חומרים תחת זרם. ניתן למצוא סקירה האחרונה של המתודולוגיה הכללית ומכשור, כמו גם סקירת ספרות משמעותית של היישומים האחרונים בהתייחסות 8 והאסמכתאות מובא בו. סביבה נוחה וכמעט אידיאלית לבדיקה של מבנה נוזל תחת זרימת גזירה עםSANS הוא גיאומטריה Couette רווח צרה, הידוע גם בגלילים קונצנטריים 9. גיאומטריה זו חלה זרימת גזירה פשוטה (כלומר למינרית) לדוגמה, תוך שמירה על עוצמת קול בלא הפרעה מספיקה לקרן הנויטרונים האירוע. היישום של זרימה שובר את הסימטריה של מיקרו; כאפיון מלא כזה של מיקרו החומר תחת זרימת גזירה פשוטה דורש מדידות microstructural בכל שלושת המטוסים של גזירה. שני מטוסים של גזירה עשויים להיחקר באמצעות התצורה סטנדרטי הגיאומטריה Couette (איור 1 א): קרן הנויטרונים מוגדרת לנסוע יחד בכיוון שיפוע המהירות ולחקור את המהירות-ערבוליות (1-3) (תצורה &quot;מחוגי&quot;) מטוס של גזירה , לחלופין, שהקרן collimated ידי חריץ דק ומקביל מיושרים לכיוון הזרימה, ובכך לחקור את השיפוע-ערבוליות המהירות (2-3) המטוס (בתצורה &quot;משיקה&quot;). מכשיר זה הוא ג זמיןommercially ותועד לאחרונה לבחינת נוזלים מורכבים תחת 10 גזירה. הביקורת הנ&quot;ל מתארת ​​את השימוש שלה ושל התקנים הקשורים לקביעת מבנה רכוש במגוון רחב של חומרים ויישומים 8. ניסויי זמן לפתור, כגון לתזרים הגזירה oscillatory דווחו גם 11, 12. לעתים קרובות המטוס הכי המעניין והחשוב ביותר של זרימה הוא שיפוע מהירות-מהירות (1-2) (איור 1b) מטוס, אבל זה גם הקשה ביותר לחקור כפי שהוא דורש מכשור מיוחד. תא גזירה מותאמת אישית תוכנן כדי לאפשר חקירה ישירה של שיפוע מהירות-המהירות (1-2) מטוס על ידי SANS כך שקרן הנויטרונים נוסעת במקביל לציר ערבוליות של 13-16 גזירה. מדידות במישור 1-2 של זרימה הן קריטיות להשגת הבנה כמותית לצמיגות הגזירה כי הם elucidאכלתי את הכיוון של המבנה ביחס לכיוון הזרימה 15, 17, 18. זה חשוב לחומרים כגון פולימרים, חומרים פעילי שטח עצמי התאספו, קולואידים ונוזלים מורכבים אחרים. בנוסף, ניתן לחקור מיקרו &#39;החומרים כפונקציה של מיקום על פני הפער בכיוון השיפוע של זרימת גזירה. עם התוספת של רזולוציה מרחבית, השיטה מספקת אמצעי ללימוד חומרים שמציגים שינויי microstructural לאורך כיוון השיפוע של גזירה. דוגמה הלחוקרת שינויים בהמייקר ובהרכב לאורך כיוון השיפוע של זרימה היא גזירת פסים. פסי גזירה הוא תופעה הנגרמת על ידי צימוד בין מיקרו וכיוון זרימה כי תוצאות בשדה זרימה הומוגניות 13. במאמר זה, אנו מתארים את המכשיר, הרכבתו וטכניקת מדידת הזרימה SANS כפי שמיושמים במרכז NIST עבור Neמחקר utron (NCNR) במכון הלאומי לתקנים והטכנולוגיה (NIST) בGaithersburg, MD. סביבת מדגם זה היא התוצאה של שיתוף פעולה בין אוניברסיטת דלאוור, NIST והמכון לאואה-לנגווין (החולה), ויושמה בהצלחה בשני חולים וNIST. לצורך מאמר זה, שבו החלקים מסוימים SANS של הפרוטוקול מודאגים, הטכניקה היא כפי שתוארה מיושמת ב NIST. עם זאת, שינוי פרטים הספציפיים אלה המכשיר צריך להיות פשוט והטכניקה הכוללת יכולה להיות מיושמת על כל מכשיר SANS לזרימה קבועה (סעיף 5.1). בנוסף, מכשירים מצוידים ביכולות SANS זמן נפתר עשויים גם לבצע ניסויי oscillatory גזירה זרימת SANS (סעיף 5.2). שרטוטים טכניים של רכיבי תא הגזירה ניתנים כדמויות 12-23.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="785">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Deuterated Water (99.9%)</td>
			<td>Cambridge Isotopes</td>
			<td>7789-20-0</td>
			<td>83.3 wt % in formulation 
			D2O</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CTAB- Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide&#160;</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>57-09-0&#160;</td>
			<td>16.7 wt % in formulation 
			CH3(CH2)15N(Br)(CH3)3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/16&#34; Allen wrench</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3/16&#34; Allen wrench</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3/8&#34; open end wrench</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>tape</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>thread seal tape</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="font-size: 13px; line-height: 1.6em;">syringes (2)</td>
			<td style="font-size: 13px; line-height: 1.6em;"></td>
			<td style="font-size: 13px; line-height: 1.6em;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring material microstructure under flow using 1-2 plane flow-small angle neutron scattering

סביבת מדגם פיזור ניטרונים זווית הקטנה חדש (SANS) מותאמת ללימוד מיקרו של נוזלים מורכבים תחת זרימת גזירה פשוטה מוצגת. תא הגזירה SANS מורכב מגיאומטרית Couette קונצנטריים צילינדר שהוא חתום ומסתובב על ציר אופקי, כך שכיוון ערבוליות של שדה הזרימה מיושר עם קרן הנויטרונים המאפשרת פיזור מהמטוס 1-2 של גזירה (שיפוע מהירות-מהירות , בהתאמה). גישה זו היא מקדמה על סביבות מדגם תא גזירה קודמות כמו שיש צימוד חזק בין rheology בתפזורת ותכונות microstructural במטוס 1-2 של גזירה. זרימה לחוסר יציבות, כגון פסי גזירה, יכול להיות גם נחקר על ידי מדידות מרחבית נפתרו. המטרה זו מושגת בסביבת מדגם זה באמצעות פתח צר לקרן הנויטרונים וסריקה לאורך כיוון שיפוע המהירות. ניסויי זמן נפתרו, כגון זרימה הזנק ותנודתית משרעת הגדולה שהיאזרימת ar גם אפשרית על ידי סנכרון של תנועת הגזירה וגילוי של ניטרונים מפוזרים זמן נפתר. נציג תוצאות שימוש בשיטות שתוארו כאן, ממחישות את האופי שימושי של רזולוציה מרחבית למדידת מיקרו של פתרון micelle תולעת שמציג פסי גזירה, תופעה שניתן לחקור רק על ידי פתרון המבנה לאורך כיוון שיפוע המהירות. לבסוף, שיפורים אפשריים לעיצוב הנוכחי הם דנו יחד עם הצעות לניסויים נוספים כמוטיבציה לניסויים עתידיים במגוון רחב של נוזלים מורכבים במגוון רחב של תנועות גזירה.

נציג תוצאות של ניסוי זרימת SANS מוצלח ניתנות באיורים 9, 10, ו11. דוגמאות הללו הן מחקירות שנעשו על פתרון micelle תולעת (WLM) (טבלת 1) ידועות תערוכת פסי גזירה בתנאים מסוימים של גזירה. ניתן למצוא דיון בממצאים המדעיים מלא באזכור 15-17. <p class="jove_content" style=";text-align:rig...

Watch this Scientific Journal Video about Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering at JoVE.com

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

תא גזירה היא פיתחה עבור מדידות פיזור ניטרונים זווית קטנה במישור שיפוע מהירות-המהירות של גזירה ומשמש לאפיון נוזלים מורכבים. מדידות נפתרו מרחבית בכיוון שיפוע המהירות אפשריות לחקר חומרי גזירת פסים. יישומים כוללים חקירות של תפוצות colloidal, פתרונות פולימר, ומבנים עצמי התאספו.

מדידת חומר מיקרו תחת זרם באמצעות 1-2 מטוס זרימה קטן זווית ניוטרון פיזור

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

measuring-material-microstructure-under-flow-using-1-2-plane-flow

Research

JoVE Journal

Engineering

14.2K Views.  University of Delaware.  תא גזירה היא פיתחה עבור מדידות פיזור ניטרונים זווית קטנה במישור שיפוע מהירות-המהירות של גזירה ומשמש לאפיון נוזלים מורכבים. מדידות נפתרו מרחבית בכיוון שיפוע המהירות אפשריות לחקר חומרי גזירת פסים. יישומים כוללים חקירות של תפוצות colloidal, פתרו...

Video: Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the milli-scale structure of barbs and barbules largely determines the directional pattern of reflected light; and through the macro-scale spatial structure of overlapping, curved feathers, these directional effects create the visual texture. Milli-scale and macro-scale effects determine where on the organism's body, and from what viewpoints and under what illumination, the iridescent colors are seen. Thus, the highly directional flash of brilliant color from the iridescent throat of a hummingbird is inadequately explained by its nano-scale structure alone and questions remain. From a given observation point, which milli-scale elements of the feather are oriented to reflect strongly? Do some species produce broader "windows" for observation of iridescence than others? These and similar questions may be asked about any organisms that have evolved a particular surface appearance for signaling, camouflage, or other reasons.
In order to study the directional patterns of light scattering from feathers, and their relationship to the bird's milli-scale morphology, we developed a protocol for measuring light scattered from biological materials using many high-resolution photographs taken with varying illumination and viewing directions. Since we measure scattered light as a function of direction, we can observe the characteristic features in the directional distribution of light scattered from that particular feather, and because barbs and barbules are resolved in our images, we can clearly attribute the directional features to these different milli-scale structures. Keeping the specimen intact preserves the gross-scale scattering behavior seen in nature. The method described here presents a generalized protocol for analyzing spatially- and directionally-varying light scattering from complex biological materials at multiple structural scales.

We present a non-destructive method for sampling spatial variation in the direction of light scattered from structurally complex materials. By keeping the material intact, we preserve gross-scale scattering behavior, while concurrently capturing fine-scale directional contributions with high-resolution imaging. Results are visualized in software at biologically-relevant positions and scales.

מדידת מרחבית ופיזור אור directionally-משתנה מחומר ביולוגי

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

Atom Probe Tomography Studies on the Cu(In,Ga)Se2 Grain Boundaries

Compared with the existent techniques, atom probe tomography is a unique technique able to chemically characterize the internal interfaces at the nanoscale and in three dimensions. Indeed, APT possesses high sensitivity (in the order of ppm) and high spatial resolution (sub nm).
Considerable efforts were done here to prepare an APT tip which contains the desired grain boundary with a known structure. Indeed, site-specific sample preparation using combined focused-ion-beam, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy is presented in this work. This method allows selected grain boundaries with a known structure and location in Cu(In,Ga)Se2 thin-films to be studied by atom probe tomography.
Finally, we discuss the advantages and drawbacks of using the atom probe tomography technique to study the grain boundaries in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells.

Atom Probe Tomography Studies on the CuIn,GaSe2 Grain Boundaries

In this work, we describe the use of the atom-probe tomography technique for studying the grain boundaries of the absorber layer in a CIGS solar cell. A novel approach to prepare the atom probe tips containing the desired grain boundary with a known structure is also presented here.

Atom לימודי Probe טומוגרפיה על Cu (ב, GA) Se<sub&gt; 2</sub&gt; גבולות גרעין

Compared with the existent techniques, atom probe tomography is a unique technique able to chemically characterize the internal interfaces at the ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped crystallites. Neutrons are passed through two well defined regions of magnetic field; one before and one after the sample. The two magnetic field regions have opposite polarity and are tuned such that neutrons travelling through both regions, without being perturbed, will undergo the same number of precessions in opposing directions. In this case the neutron precession in the second arm is said to &#34;echo&#34; the first, and the original polarization of the beam is preserved. If the neutron interacts with a sample and scatters elastically the path through the second arm is not the same as the first and the original polarization is not recovered. Depolarization of the neutron beam is a highly sensitive probe at very small angles (&#60;50&#160;&#956;rad) but still allows a high intensity, divergent beam to be used. The decrease in polarization of the beam reflected from the sample as compared to that from the reference sample can be directly related to structure within the sample.
In comparison to scattering observed in neutron reflection measurements the SERGIS signals are often weak and are unlikely to be observed if the in-plane structures within the sample under investigation are dilute, disordered, small in size and polydisperse or the neutron scattering contrast is low. Therefore, good results will most likely be obtained using the SERGIS technique if the sample being measured consist of thin films on a flat substrate and contain scattering features that contains a high density of moderately sized features (30 nm to 5 &#181;m) which scatter neutrons strongly or the features are arranged on a lattice. An advantage of the SERGIS technique is that it can probe structures in the plane of the sample.

Progress has been made in utilizing spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) as a neutron scattering technique to probe the length-scales in irregular samples. Crystallites of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester have been probed using the SERGIS technique and the results confirmed by optical and atomic force microscopy.

באמצעות נויטרונים ספין הד נפתרה שכיחות מרעה פיזור לחקור חומרים אורגניים תאים סולאריים

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric vehicles.1,2 However, many challenges, such as energy density and battery lifetimes, need to be overcome before this particular battery technology can be widely implemented in such applications.3 This research is challenging, and we outline a method to address these challenges using in situ NPD to probe the crystal structure of electrodes undergoing electrochemical cycling (charge/discharge) in a battery. NPD data help determine the underlying structural mechanism responsible for a range of electrode properties, and this information can direct the development of better electrodes and batteries.
We briefly review six types of battery designs custom-made for NPD experiments and detail the method to construct the &#8216;roll-over&#8217; cell that we have successfully used on the high-intensity NPD instrument, WOMBAT, at the Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). The design considerations and materials used for cell construction are discussed in conjunction with aspects of the actual in situ NPD experiment and initial directions are presented on how to analyze such complex in situ data.

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

We describe the design and construction of an electrochemical cell for the examination of electrode materials using in situ neutron powder diffraction (NPD). We briefly comment on alternate in situ NPD cell designs and discuss methods for the analysis of the corresponding in situ NPD data produced using this cell.

באתרו ניוטרון אבקת השתברות שימוש בסוללות ליתיום-יון מתוצרת מותאמת אישית

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the degradation of device performance. In order to evaluate such degradations using computer simulations, full matrix material properties at elevated temperatures are needed as inputs. It is extremely difficult to measure such data for ferroelectric materials due to their strong anisotropic nature and property variation among samples of different geometries. Because the degree of depolarization is boundary condition dependent, data obtained by the IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedance resonance technique, which requires several samples with drastically different geometries, usually lack self-consistency. The resonant ultrasound spectroscopy (RUS) technique allows the full set material constants to be measured using only one sample, which can eliminate errors caused by sample to sample variation. A detailed RUS procedure is demonstrated here using a lead zirconate titanate (PZT-4) piezoceramic sample. In the example, the complete set of material constants was measured from room temperature to 120 &#176;C. Measured free dielectric constants <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> and&#160;<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> were compared with calculated ones based on the measured full set data, and piezoelectric constants d15 and d33 were also calculated using different formulas. Excellent agreement was found in the entire range of temperatures, which confirmed the self-consistency of the data set obtained by the RUS.

This protocol describes the procedure of measuring the temperature dependence of the full set material constants of piezoelectric materials using resonant ultrasound spectroscopy (RUS).

אפיון מלא סט חומר קבועים תלות בטמפרטורה שלהם עבור חומרים פייזו באמצעות ספקטרוסקופיית תהודה אולטראסאונד

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor compression based cooling process. Nickel-Titanium (Ni-Ti) based alloy systems, especially, show large elastocaloric effects. Furthermore, exhibit large latent heats which is a necessary material property for the development of an efficient solid-state based cooling process. A scientific test rig has been designed to investigate these processes and the elastocaloric effects in SMAs. The realized test rig enables independent control of an SMA&#39;s mechanical loading and unloading cycles, as well as conductive heat transfer between SMA cooling elements and a heat source/sink. The test rig is equipped with a comprehensive monitoring system capable of synchronized measurements of mechanical and thermal parameters. In addition to determining the process-dependent mechanical work, the system also enables measurement of thermal caloric aspects of the elastocaloric cooling effect through use of a high-performance infrared camera. This combination is of particular interest, because it allows illustrations of localization and rate effects &#8212; both important for efficient heat transfer from the medium to be cooled.
The work presented describes an experimental method to identify elastocaloric material properties in different materials and sample geometries. Furthermore, the test rig is used to investigate different cooling process variations. The introduced analysis methods enable a differentiated consideration of material, process and related boundary condition influences on the process efficiency. The comparison of the experimental data with the simulation results (of a thermomechanically coupled finite element model) allows for better understanding of the underlying physics of the elastocaloric effect. In addition, the experimental results, as well as the findings based on the simulation results, are used to improve the material properties.

Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.

שיטות ניסיוניות לחקירות זיכרון צורה Elastocaloric בהתבסס תהליכי קירור ותיקוף דגם

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Dielectric RheoSANS &#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and microstructural properties of complex fluids is presented. The instrument consists of a Couette geometry contained within a modified forced convection oven mounted on a commercial rheometer. This instrument is available for use on the small angle neutron scattering (SANS) beamlines at the National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research (NCNR). The Couette geometry is machined to be transparent to neutrons and provides for measurement of the electrical properties and microstructural properties of a sample confined between titanium cylinders while the sample undergoes arbitrary deformation. Synchronization of these measurements is enabled through the use of a customizable program that monitors and controls the execution of predetermined experimental protocols. Described here is a protocol to perform a flow sweep experiment where the shear rate is logarithmically stepped from a maximum value to a minimum value holding at each step for a specified period of time while frequency dependent dielectric measurements are made. Representative results are shown from a sample consisting of a gel composed of carbon black aggregates dispersed in propylene carbonate. As the gel undergoes steady shear, the carbon black network is mechanically deformed, which causes an initial decrease in conductivity associated with the breaking of bonds comprising the carbon black network. However, at higher shear rates, the conductivity recovers associated with the onset of shear thickening. Overall, these results demonstrate the utility of the simultaneous measurement of the rheo-electro-microstructural properties of these suspensions using the dielectric RheoSANS geometry.

Dielectric RheoSANS &amp;#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

Here, we present a procedure for the measurement of simultaneous impedance, rheology and neutron scattering from soft matter materials under shear flow.

RheoSANS דיאלקטרי - חקירת סימולטני של עכבה, Rheology וקטנים זווית ניוטרון פיזור של נוזלים מורכבים

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light scattering from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles. This protocol describes the SLSP platform and how it employs a 360&#176; rotational photodetector sensor that is scanned around an IOL sample while recording the intensity and location of scattered light as it passes through the IOL medium. The SLSP platform can be used to predict, non-clinically, the propensity for current and novel IOL designs and materials to induce light scatter. Non-clinical evaluation of light scattering properties of IOLs can significantly reduce the number of patient complaints related to unwanted glare, glistening, optical defects, poor image quality, and other phenomena associated with the unintended light scattering. Future studies should be conducted to correlate SLSP data with clinical results to help identify which measured light scatter is most problematic for patients that have undergone cataract surgery subsequent to IOL implantation.

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

This protocol describes the scanning light scattering profiler (SLSP) that enables the full-angle quantitative evaluation of forward and backward scattering of light from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles.

סריקה אור מפזר Profiler (SLPS) מתודולוגיה מבוססת כדי להעריך כמותית קדימה ואחורה אור פיזור מ עדשות עדשות

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as aqueous solutions and biomaterials, with fast acquisition times. Here, we discuss the assembly and operation of a Brillouin spectrometer that uses stimulated Brillouin scattering (SBS) to measure stimulated Brillouin gain (SBG) spectra of water and lipid emulsion-based tissue-like samples in transmission mode with &lt;10 MHz spectral-resolution and &lt;35 MHz Brillouin-shift measurement precision at &lt;100 ms. The spectrometer consists of two nearly counter-propagating continuous-wave (CW) narrow-linewidth lasers at 780 nm whose frequency detuning is scanned through the material Brillouin shift. By using an ultra-narrowband hot rubidium-85 vapor notch filter and a phase-sensitive detector, the signal-to-noise-ratio of the SBG signal is significantly enhanced compared to that obtained with existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables measurement of SBG spectra with up to 100-fold faster acquisition times, thereby facilitating high spectral-resolution and high-precision Brillouin analysis of soft materials at high speed.

We describe the construction of a rapid continuous-wave-stimulated-Brillouin-scattering (CW-SBS) spectrometer. The spectrometer employs single-frequency diode-lasers and an atomic vapor notch-filter to acquire transmission spectra of turbid/non-turbid samples with high spectral-resolution at speeds up to 100-fold faster than those of existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables high-speed Brillouin material analysis.

ספקטרומטר פיזור מהיר ברילואן מגורה מכ לניתוח גשמי

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, with its peak locomotion speed reaching 150 cm/s. First of all, we observed the microstructure and hierarchy of water strider legs using the scanning electron microscope. On the basis of the observed morphology of the legs, a theoretical model of the detachment from water surface was established, which explained water striders' capability to slide on water surface effortlessly in terms of energy reduction. Secondly, a dynamic force measurement system was devised using the PVDF film sensor with excellent sensitivity, which could detect the whole interaction process. Subsequently, a single leg in contact with water was pulled upward at different speeds, and the adhesion force was measured at the same time. The results of the departing experiment suggested a deep understanding of the fast jumping of water striders.

The protocol here is dedicated to investigating the free and quick maneuvering of water strider on water surface. The protocol includes observing the microstructure of legs and measuring the adhesion force when departing from water surface at different speeds.

מדידה של כוח דינמי פעל על רגל מים "צעדן" קופץ מעלה על ידי חיישן סרט PVDF

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...