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

要約

剪断セルは、剪断速度、速度勾配平面における小角中性子散乱測定のために開発され、複雑な流体を特徴付けるために使用される。速度勾配方向における空間分解測定は、剪断バンド材料を研究するために可能である。アプリケーションでは、コロイド分散液の調査、ポリマー溶液、および自己組織化構造が挙げ​​られる。

要約

単純せん断流下複合流体の微細構造を研究するための新しい最適化された小角中性子散乱（SANS）試料環境が提示される。 SANS剪断セルは、流れ場の渦方向は中性子ビームせん断（速度 - 速度勾配の1-2面からの散乱を可能と整列するように密封され、水平軸周りに回転する同心の円筒クエットジオメトリから構成されそれぞれ）。剪断1-2面内のバルクレオロジーおよびミクロ構造のフィーチャとの間に強い結合が存在するので、このアプローチは、以前の剪断細胞試料環境上の進歩である。そのような剪断バンディングなどの流動不安定性もまた、空間分解測定によって研究することができる。これは、速度勾配方向に沿った中性子ビーム走査のための狭い開口部を使用して、このサンプル環境で達成される。このような流れの新興企業および大振幅振動、彼女のような時間分解実験、アルフローは、剪断作用及び散乱中性子の時間分解検出の同期によっても可能である。ここで概説する方法を用いて代表的な結果は、剪断バンディングのみ速度勾配方向に沿った構造を解決することによって調べることができる現象を呈するひも状ミセル溶液の微細構造を測定するための空間分解能の有用な性質を実証する。最後に、現在の設計に潜在的な改良は、せん断運動の様々な複雑な流体の広い範囲での将来の実験のための動機付けなどの補足実験のための提案と一緒に議論されている。

概要

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。

プロトコル

図2に、サンプル環境を舞台にブレッドボードに取り付けられており、SANS実験用中性子ビームに整列されているベースプレートに取り付けられ、組み立てられたせん断セルを示している。ステッパモータ、ギアボックス、ベルト駆動、モータステージスリット、中性子ビームのせん断セルと方向を図2に標識される。この議定書は、実行中の、せん断セル（第1）を組み立てるサンプル環境段（セクション2）にせん断セルを取り付け、SANS実験（セクション3）のジオメトリを校正、サンプル（セクション4）をロードするための方向性を提供します実験およびデータ収集（セクション5）、実験を終了する（セクション6）。 （1/16、3/16に参考のために、 図3は、組電池および図4の概略プレートを前後にプレートからレイアウト分解された剪断細胞部分を示し、左から右にして、組み立てに必要なツールアレンwrenchesおよびオープンエンドレンチ3/8）。 図4の左から右に、バネ仕掛けのブッシング、O-リング、石英窓、O-リングを有する中間プレート、サンプルアクセスポートおよびシリンジコネクタ、セットねじ、マンドレル、及びための軸受部に、前面板である背板（石英窓、Oリング、スプリング式ブッシング、ベアリング）、バックプレート、4ソケットヘッドキャップネジと付属のクイックコネクタを備えたクイックコネクト冷却ホース。

1。 （図2の右側に挿入図）せん断セルを組み立て

1. 組み立てに中間プレートを準備します。
   1. サンプルおよびセットスクリュー経路を含めた中間プレートをきれいにし、スリキズによるプレートの上部を特定する。
   2. 3セットのネジを使用してサンプルローディング経路を密閉する。スレッドシ​​ールテープの各セットスクリューをラップし、それぞれが「下」「側」の穴に（2）と1セットのネジで各穴にネジ挿入するための六角レンチ1/16を使用しています。
   3. 中板の両側に溝に丸い白いOリング（ID、バイトン標準AS568サイズ035での2月14日）を配置します。
2. アセンブリの背面と前面プレート（ 図5）を準備します。
   1. を押して、前面と背面のプレートのそれぞれにベアリングを装着します。
   2. 前面と背面のプレートにサンプルに向かって開いスプリング側が（シールで）スプリング式ブッシュを挿入します。
   3. 前のそれぞれの溝とバックプレートに（ID内2-1/4）小（ID中1-5/8）と大ブナNの正方形の二重シールのOリングを配置します。
   4. 各プレートに正方形のOリングの上に石英窓を配置します。
3. 一緒にフロントとミドルプレートを組み立てます。
   1. 平らな面に前板を置き、真ん中とフロントプレートの上にスコアを合わせ、前面板に中間プレートを配置。必要であれば、トンで丸みを帯びたO-リングに適切な少量のグリースを適用組み立て中の場所でそれらを保持するために、彼中間プレート。
4. 一緒にマンドレルとバックプレートを組み立てます。
   1. バックプレートに、マンドレルシャフトの短い方の端を挿入します。使用は均等に力が適用され、マンドレルが所定の位置に「クリック」します。マンドレルは今バックプレート上の所定の位置に石英窓と正方形のOリングを保持していることに注意してください。
5. 一緒に前板、中板、マンドレルとバックプレートを組み立てます。
   1. 中間プレートを上にして隆起したプラットフォーム上で、フロントとミドルプレートアセンブリを配置します。この隆起したプラットフォームは、マンドレルシャフトのためのスペースがテーブルを押すことなく、アセンブリの下に拡張することを可能にすることである。
   2. 背板アセンブリ上のスコアの前板アセンブリの上部にあるスコアを合わせます。
   3. 前板アセンブリにマンドレルシャフトの長い部分を挿入します。中板上の丸みを帯びたOリングが正しく組み立て中に座ったままにしてください。セルW一緒にして、もう一度病気スライド適切に組み立てられたとき、「カチッ」という。
   4. 4六角ネジと3月16日での六角レンチを使用して一緒にアセンブリを固定します。クロスパターンでネジを締めのでセルが同心性を維持します。
6. 2アクセスポートをラップするスレッドシ​​ールテープをラップし、中間プレートの上にそれらをねじ込みます。オープンエンドレンチで3月8日で締めます。
7. 前板の前面に機械加工、受信スロットにカドミウムマスク（ 図6）を配置します。必要に応じて所定の位置にマスクを保持するためにテープや粘着性を適用します。
8. 前面と背面プレートの一番上のポート間のクロスコネクトクーラントホースにクイックコネクタを使用します。

2。ビームラインにせん断セルをマウント

1. 安全シールドとSANS検出ウィンドウをカバーしています。
2. 中性子ビームを試料環境の段階を整列させるために責任ある施設、機器の科学者に依頼してください。
3. ×20六角六角ボルト及び六角レンチでの3月16日に4つの¼を使用して、サンプル環境ステージにブレッドボードをマウントします。
4. ベースプレート上にあるセルの取り付けブラケットにせん断セルアセンブリを取り付けます（すでにブレッドボード（ 図7）に取り付けられている）。
   1. ベースプレート（ 図8）に付着し、細胞マウンティングブラケットとシャフトカプラーを識別します。シャフトカプラー用の止めねじを緩めていることを確認してください。
   2. シャフトカプラとカプラに止めねじがマンドレル軸の平らな部分にネジするようなマンドレルシャフトの位置を合わせます。
   3. アセンブリは、図8に示されたもののように見えるように、水平方向のセルマウンティングブラケットにせん断セルをスライドさせます。 それは、マンドレルシャフトやシャフトカプラを曲げないようにすることが重要であるため、このステップは、慎重に行われるべきである。
   4. 2六角でセルマウントブラケットにせん断セルアセンブリを取り付けます3月16日アレンレンチを使用してキャップネジ。せん断セルは、セルの取り付けブラケットにぴったりであることを確認することを安全、常に締めます。
   5. ドライブ·アセンブリにせん断セルマンドレルシャフトを接続するための六角レンチ1/16を使用してシャフトコネクタに2セット、ネジを締めます。
5. 中性子ビームをせん断セル形状に合わせます。
   1. マンドレル軸の高さは、中性子ビームと同じになるようSANS環境試料ステージを調節するためにレーザを使用する。中性子ビームライン·パスの中心にせん断セルのギャップの中心を合わせます。
6. ブレッドボード（ 図8）に搭載されたスリットモータステージアセンブリに適切なカドミウムスリットを挿入します。必要に応じてタックとスリットを固定します。
   注：スリットがフロントプレートと同一面に、約せん断セルのギャップ内に配置する必要があります。希望する実験に応じてスリットを選択してください。ギャップresoluti実験に0.1ミリメートルと0.2ミリメートル湾曲スリットを利用できます。 0.8ミリメートルの長方形のスリットが賢明です空間分解能を必要としない測定のためのに対し。
7. ベルト偏向約¼が存在するように駆動ベルトの張力を調整するために、クランクを用いてモータの位置を移動させる。適切に引っ張られると、7/64アレンレンチを使用して、車輪の下にある止めねじを締めて、モータの位置をロックします。
   注：オプションの歯車減速機は、モータ組立体に加えることができる。このオプションは、特定の実験に必要に必要な剪断速度に基づいて必要であり得る。
8. クイックコネクタを使用して、せん断セルに2の冷却槽ホースを接続します。
9. 実験の観察に固有の観測カメラやその他の補助装置を調整します。
10. SANS検出ウィンドウを保護する安全シールドを取り外します。

3。 SANSのセットアップとキャリブレーション

1. 0.5＆内を取り付け＃160;入射中性子ビーム上の鼻の終わりアパーチャ。
2. 実験条件のために最適化された標準SANSプロトコルと、次の目的のSANS検出位置（Q-レンジ）、中性子の波長、波長の広がりを設定します。
   注：サンプル - 検出器距離計算は「フーバーテーブル」上にあるサンプル環境ステージに基づいています。
3. せん断セルのギャップにスリット位置を合わせます。
   1. せん断セルのギャップにスリット位置を合わせるために、スリットモータステージ（ 図8）を使用します。それは剪断セルアセンブリのギャップ内に石英窓を通過した後、レーザーを検出するために中性子ビーム及びミラーをエミュレートするためにレーザを使用する。
   2. 微調整SANS透過測定を用いスリットの位置。系統的さ0.1mmモータスリット翻訳ステップを用いて剪断セルギャップの外壁にせん断セルギャップの内壁からスリットモータ位置を変化させる。SANSを用いた送信（典型的には2秒）を観察し、各伝送測定のためのスリットモータ位置（ 図9）を記録する。
      注：空間分解能が望まれる場合には、SANS実験のために必要なモータ位置を特定する。空間分解能が必要でない場合、せん断セルギャップの中央にスリットを整列させる単一のモータ位置を特定する。せん断セルのギャップにスリットを整列させることは良い実験を完了するために重要です。これはSANS透過測定を用いてスリットの位置を合わせるために水を使用することもできる（そして推奨される）である。水を使用すると、伝送が減少し、剪断セルハウジング（ 図9）とのコントラストを提供する。
      注：サンプルローディングプロトコル（セクション4）に従うことによって、細胞内に水をロードします。水を使用すると、一般的にSA​​をロードする前に、せん断セルは、ベースプレートから取り外し分解し、乾燥させ、再組み立てとベースプレートに再マウントすることが必要になります実験のmple。限りベースプレートはサンプル環境段から削除されませんので、これは問題になることはありませんが、それはギャップのスリットの位置合わせを確認することは常に重要です。
4. サンプルジオメトリを校正
   1. 標準化されたSANSの手順に従って、ブロックされたビームダークカウントし、空のセルの測定を実行します。セクション3.3で行われたスリットリブレーションによって決定された空のセルの測定は、各空間位置で実行されるべきであることに注意してください。

4。サンプルローディングプロトコル

1. SANS検出窓に安全シールドを配置します。
2. サンプルセルの上部にある鋼管に2シリンジコネクタ（ナイロン）とネジ付きシリンジ器具（青と黄色）をマウント。コックが閉じた位置にあることを確認してください。
3. 10ミリリットルのネジシリンジ（最小サンプル量が6ミリリットルである）にサンプルをプリロード。サンプルは気泡のないことを確認します。
   1. 軽く遠心分離またはシリンジをロード中に、サンプルの粘度を低下させるために試料を加熱するいずれかの方法で気泡を取り除く。試料が加熱されている場合、それは強くせん断セルの温度は、試料をロードするのを助けるために増加されることが推奨される。
4. （ 図8）過剰のサンプルを受け取るために、せん断セルの中央にコネクタにプランジャーずに空の注射器を置きます。
5. 他のコネクタのサンプルシリンジ（ 図8）を配置します。
6. 両方のコックを開きます。
7. サンプルは、空の注射器の中に入り始めるまでゆっくりとサンプルを注入する。
8. せん断セルの隙間から気泡を取り除きます。
   1. モーターを解放し、ベルトが手動で移動できるようにモータ制御をオフにします。
   2. せん断セルの上部に気泡を移動を助けるために手でサンプルを剪断、それによって追加の試料注入は、通常、コンセントに泡をプッシュしますせん断セルギャップが不足しています。
9. セル内の試料をロックするコックを閉じます。
10. 必要な実験温度まで水浴の温度を変更し、必要に応じてサンプルのせん断履歴を予め調整する。
11. 気泡をチェック（および実験期間中、定期的にこれを行う）。気泡が認められた場合には、、コックを開いて剪断帯の上部に気泡を移動するために回転を使用し、細胞の剪断帯の外に気泡を押し出すために追加のサンプルを注入する。
12. ビーム領域から安全シールドと余分なツールや装置を取り外します。

5。せん断実験を行うこととSANSデータの収集

1. シンプルな定常せん断実験のため：
   1. （モータ制御ソフトウェアの動作のための関連資料を参照してください）​​モータ制御ソフトウェアと関連する定常せん断制御ファイル内のせん断速度を設定します。
   2. せん断方向を識別実験中の試料の。
   3. 標準化されたSANSの手順に従って、希望のSANS実験をセットアップします。
   4. せん断セルモーターを起動します。
   5. SANS実験を開始します。検出器数を確認し、SANSの結果が適切にせん断中に記録されている保証するために、SANSの2Dパターンを観察します。代表的な結果の項で説明した界面活性剤溶液について観察された典型的なパターンの一例を図10に示す。
   6. 所望の各せん断速度のための手順（セクション5.1）を繰り返します。
2. 時間分解振動剪断実験については：
   1. 振動剪断実験にトリガ位置を確認します。振動せん断の場合、これは、最大歪みと最小値（ゼロ）歪み速度の点である。
   2. モータ制御ソフトウェアと関連する時間分解制御ファイル内の発振周波数と歪み振幅を設定します（モーターコントロための関連資料を参照してくださいLのソフトウェアの動作）。ひずみ振幅がゼロを中心としたひずみの大きさに応じて定義し、定義されたレオロジー歪振幅であることに注意してください。
   3. 振動剪断実験のせん断セルモーターを起動します。
   4. SANS実験を開始します。検出器数をチェックして、SANを保証するために、2次元パターンが適切に振動せん断中に記録されている観察します。
   5. NISTOからシャーロットへとNCNRが提供するソフトウェアを使用して、データ前処理し、タイムスタンプ付きの中性子検出器のログファイルをコピーします。
   6. IGORの減少ソフトウェアパッケージで設定された前処理されたデータを減らします。
   7. 各、所望の発振周波数と歪振幅条件手順（セクション5.2）を繰り返します。

6。実験終了

1. 中性子ビームとモータ制御をオフにします。
2. SANS検出窓に安全シールドを配置します。
3. サンプルおよび装置スタンましょう5分間、閉じたビーム中のd。ベースプレートからせん断セルを削除する前に、標準的な放射線チェックを実行します。
4. サンプルポート上のストップコックを開き、撤回またはサンプル注射器を使用してサンプルを押し出す。 、サンプルを回復コックを閉じ、シリンジを取り外します。
5. 恒温槽の電源をオフにします。せん断セルクイック接続ポートからの流体浴冷却ホースを切り離す。
6. 1月16日アレンレンチを使用してマンドレルと駆動軸の間のシャフトカプラ上の六角ネジを緩めます。セルマウントブラケットにせん断セルを取り付ける2ソケットヘッドキャップネジを外します3月16日アレンレンチを使用してください。電池取り付けブラケットの外せん断セルをスライドさせます。
7. アセンブリプロトコル（プロトコルの部1）逆転させることによって、せん断セルを分解します。
8. 石鹸水を使用して、せん断セルを清掃してください。すすぎ、完全に乾燥させます。

結果

成功した流れSANS実験の代表的結果を図9、図10、および図11に示されている。これらの実施例は、ひも状ミセル溶液（WLM）剪断の特定の条件の間の剪断バンディングを示すことが知られている（ 表1）について説明調査からのものである。科学的な調査結果の完全な議論は、参考文献^15〜17に記載されています。

図10は、<...

ディスカッション

小角中性子散乱を介して剪断速度、速度勾配面内に複雑な流体剪断の微細構造を測定することが可能な新たな機器が開発され、検証される。せん断セル設計は、X線や光散乱などの放射線源を使用して他の楽器、だけでなく、せん断（速度·渦度と速度勾配-渦度^）8の2他の面に微細構造を特徴づけることができるレオSANS機器を補完^、10。この測定器のような振動や起動せん断流...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Deuterated Water (99.9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3 wt % in formulation D2O
CTAB- Cetyltrimethylammonium Bromide	Sigma-Aldrich	57-09-0	16.7 wt % in formulation CH3(CH2)15N(Br)(CH3)3
1/16 in Allen wrench
3/16 in Allen wrench
3/8 in Open end wrench
Tape
Thread seal tape
Syringes (2)