Name: studying large amplitude oscillatory shear response of soft materials
Uploaded: 2019-04-25T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials at JoVE.com

המחברים מודים פאר אנטון על השימוש rheometer 702 בתפוז דרך תוכנית המחקר האקדמי שלהם VIP. אנו מודים גם ד ר אייל שטי על ההערות בכיוונון כלי נגינה.

1. rheometer ההתקנה
<ol><li>עם rheometer נקבעה במצב של טכנולוגיית השמה משטחית (ראה הערה), לצרף את גיאומטריות הכונן העליון והתחתון. כדי לשמור על כמה שיותר קרוב שדה הטיה הומוגניות ככל האפשר, השתמש צלחת 50 מ מ (PP50) הנורה התחתון, וכן קונוס 2 מעלות (CP50-2) עבור הנורה העליון. הערה: rheometer אנו משתמשים (ראה הטבלה ש...

<ol>
	<li>Dolz, M., Hern&#225;ndez, M. J., Delegido, J., Alfaro, M. C., Mu&#241;oz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+xanthan+gum+and+locust+bean+gum+upon+flow+and+thixotropic+behaviour+of+food+emulsions+containing+modified+starch.">Influence of xanthan gum and locust bean gum upon flow and thixotropic behaviour of food emulsions containing modified starch.</a> Journal of Food Engineering. 81 (1), 179-186 (2007).</li><li>Gupta, N., Zeltmann, S. E., Shunmugasamy, V. C., Pinisetty, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+Polymer+Matrix+Syntactic+Foams.">Applications of Polymer Matrix Syntactic Foams.</a> JOM. 66 (2), 245-254 (2013).</li><li>Garc&#305;a-Ochoa, F., Santos, V. E., Casas, J. A., G&#243;mez, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Xanthan+gum:+production,+recovery,+and+properties.">Xanthan gum: production, recovery, and properties.</a> Biotechnology Advances. 18 (7), 549-579 (2000).</li><li>Chang, I., Im, J., Prasidhi, A. K., Cho, G. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Xanthan+gum+biopolymer+on+soil+strengthening.">Effects of Xanthan gum biopolymer on soil strengthening.</a> Construction and Building Materials. 74, 65-72 (2015).</li><li>Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+search+of+physical+meaning:+defining+transient+parameters+for+nonlinear+viscoelasticity.">In search of physical meaning: defining transient parameters for nonlinear viscoelasticity.</a> Rheologica Acta. 56 (5), 501-525 (2017).</li><li>Ferry, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Viscoelastic properties of polymers. , (1980).</li><li>Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dynamics of Polymeric Liquids. Volume 1: Fluid Mechanics. , (1987).</li><li>Park, J. D., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+transient+behavior+of+soft+glassy+materials+far+from+equilibrium.">The transient behavior of soft glassy materials far from equilibrium.</a> Journal of Rheology. 62 (4), 869-888 (2018).</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 (30), 7831-7839 (2012).</li><li>Lettinga, M. P., Holmqvist, P., Ballesta, P., Rogers, S., Kleshchanok, D., Struth, 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+Behavior+of+Nematic+Platelet+Dispersions+in+Shear+Flow.">Nonlinear Behavior of Nematic Platelet Dispersions in Shear Flow.</a> Phys Rev Lett. 109 (24), 246001 (2012).</li><li>Hyun, K., Wilhelm, M., 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=A+review+of+nonlinear+oscillatory+shear+tests:+Analysis+and+application+of+large+amplitude+oscillatory+shear+(LAOS).">A review of nonlinear oscillatory shear tests: Analysis and application of large amplitude oscillatory shear (LAOS).</a> Progress in Polymer Science. 36 (12), 1697-1753 (2011).</li><li>Park, J. D., Ahn, K. H., Lee, S. 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+change+and+dynamics+of+colloidal+gels+under+oscillatory+shear+flow.">Structural change and dynamics of colloidal gels under oscillatory shear flow.</a> Soft Matter. 11 (48), 9262-9272 (2015).</li><li>Lee, C. -. W., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sequence+of+physical+processes+quantified+in+LAOS+by+continuous+local+measures.">A sequence of physical processes quantified in LAOS by continuous local measures.</a> Korea-Australia Rheology Journal. 29 (4), 269-279 (2017).</li><li>Rogers, S. A., Erwin, B. M., Vlassopoulos, D., Cloitre, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+LAOS:+Application+to+a+yield+stress+fluid.">A sequence of physical processes determined and quantified in LAOS: Application to a yield stress fluid.</a> Journal of Rheology. 55 (2), 435-458 (2011).</li><li>Wagner, M. H., Rolon-Garrido, V. H., Hyun, K., Wilhelm, M. <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+medium+amplitude+oscillatory+shear+data+of+entangled+linear+and+model+comb+polymers.">Analysis of medium amplitude oscillatory shear data of entangled linear and model comb polymers.</a> Journal of Rheology. 55 (3), 495-516 (2011).</li><li>Radhakrishnan, R., Fielding, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shear+banding+in+large+amplitude+oscillatory+shear+(LAOStrain+and+LAOStress)+of+soft+glassy+materials.">Shear banding in large amplitude oscillatory shear (LAOStrain and LAOStress) of soft glassy materials.</a> Journal of Rheology. 62 (2), 559-576 (2018).</li><li>Bharadwaj, N. A., Ewoldt, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Constitutive+model+fingerprints+in+medium-amplitude+oscillatory+shear.">Constitutive model fingerprints in medium-amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 59 (2), 557-592 (2015).</li><li>Wilhelm, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fourier&#8208;Transform+Rheology.">Fourier&#8208;Transform Rheology.</a> Macromolecular Materials and Engineering. 287 (2), 83-105 (2002).</li><li>Ewoldt, R. H., Hosoi, A. E., 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=New+measures+for+characterizing+nonlinear+viscoelasticity+in+large+amplitude+oscillatory+shear.">New measures for characterizing nonlinear viscoelasticity in large amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 52 (6), 1427-1458 (2008).</li><li>Rogers, S. A., 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=A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+large-amplitude+oscillatory+shear+(LAOS):+Application+to+theoretical+nonlinear+models.">A sequence of physical processes determined and quantified in large-amplitude oscillatory shear (LAOS): Application to theoretical nonlinear models.</a> Journal of Rheology. 56 (1), 1-25 (2011).</li><li>Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+LAOS:+An+instantaneous+local+2D/3D+approach.">A sequence of physical processes determined and quantified in LAOS: An instantaneous local 2D/3D approach.</a> Journal of Rheology. 56 (5), 1129-1151 (2012).</li><li>Kim, J., Merger, D., Wilhelm, M., Helgeson, M. E. <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+nonlinear+signatures+of+yielding+in+a+heterogeneous+colloidal+gel+under+large+amplitude+oscillatory+shear.">Microstructure and nonlinear signatures of yielding in a heterogeneous colloidal gel under large amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 58 (5), 1359-1390 (2014).</li><li>van der Vaart, K., Rahmani, Y., Zargar, R., Hu, Z., Bonn, D., Schall, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheology+of+concentrated+soft+and+hard-sphere+suspensions.">Rheology of concentrated soft and hard-sphere suspensions.</a> Journal of Rheology. 57 (4), 1195-1209 (2013).</li><li>Poulos, A. S., Stellbrink, J., Petekidis, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+of+concentrated+solutions+of+starlike+micelles+under+large-amplitude+oscillatory+shear.">Flow of concentrated solutions of starlike micelles under large-amplitude oscillatory shear.</a> Rheologica Acta. 52 (8-9), 785-800 (2013).</li><li>Armstrong, M. J., Beris, A. N., Rogers, S. A., 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=Dynamic+shear+rheology+of+a+thixotropic+suspension:+Comparison+of+an+improved+structure-based+model+with+large+amplitude+oscillatory+shear+experiments.">Dynamic shear rheology of a thixotropic suspension: Comparison of an improved structure-based model with large amplitude oscillatory shear experiments.</a> Journal of Rheology. 60 (3), 433-450 (2016).</li><li>Calabrese, M. A., Wagner, N. J., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optimized+protocol+for+the+analysis+of+time-resolved+elastic+scattering+experiments.">An optimized protocol for the analysis of time-resolved elastic scattering experiments.</a> Soft Matter. 12 (8), 2301-2308 (2016).</li></ol>

הראו כיצד לבצע כראוי משרעת גדולה הטיה מתנדנדות rheometry בדיקות באמצעות rheometer מסחרי וכדי להפעיל ניתוח SPP freeware כדי לפרש ולהבין את התגובות מתח לא לינארית של שתי תמיסות פולימר ברורים. המסגרת SPP, אשר בעבר הוכח לתאם עם שינויים מבניים וכדי להקל על ההבנות של מערכות colloidal רבים, ניתן להחיל באופן שווה למער...

מרוכז תמיסות פולימרים משמשים במגוון רחב של יישומים תעשייתיים בעיקר להגברת צמיגות, לרבות מזונות1 ו אחרים מוצרים לצרכן2, שחזור שמן משופרת3ואדמה תיקונים4. במהלך עיבוד ושימוש שלהם, הם בהכרח נידונים דפורמציות גדולות על טווח של צירי זמן. תחת תהליכים כאלה, הם מדגימים עשיר לא לינארית rheological והתנהגויות מורכבות התלויים זרימה או דפורמציה תנאים1. להבנת התנהגויות מורכבות rheological לא לינארית חיוני בהצלחה שליטה תהליכים, תכנון מוצרים מעולים של למקסם יעילות אנרגיה. מלבד החשיבות תעשייתי, יש מידה רבה של עניין אקדמי בהבנת ההתנהגויות rheological של חומרים פולימריים רחוק שיווי משקל.
הטיה מתנדנדות בדיקות הן מרכיב בסיסי של כל אפיון rheological יסודית בשל היישום אורתוגונלית של זן ו זן שיעור5, היכולת לשלוט באופן עצמאי את האורך ואת הזמן מאזני הנייר על-ידי כיוונון משרעת ותדירות. תגובת המתח זנים הטיה מתנדנדות משרעת קטן, אשר הם קטנים מספיק כדי שלא להפריע את המבנה הפנימי של חומר, יכול להיות לרכיבים בשלב עם המתח, בשלב עם קצב זן. המקדמים של הרכיבים בשלב עם המתח וקצב זן באופן קולקטיבי מתייחסים כמו מודולים דינמיים6,7, ובנפרד כמו המודולוס אחסון, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq1.jpg"> </img>, ואת אובדן המודולוס, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq2.jpg"> </img>. מודולים דינמיים להוביל נקה פרשנויות אלסטיות וחוזק צמיגה. עם זאת, פרשנויות בהתבסס על מודולים דינמיים אלה תקפים רק עבור amplitudes זן קטן, שבו מתח התגובות sinusoidal excitations גם הם sinusoidal. המשטר בדרך כלל מתייחסים כאל משרעת קטן מתנדנדות גזירה (SAOS) או המשטר viscoelastic ליניארית. להרכב שנכפה עליו הופך גדול יותר, השינויים הם המושרה ב מיקרו חומרים, אשר משתקפים בסיבוכיות של תגובות הלחץ חולף שאינו sinusoidal8. במשטר זה rheologically לא-ליניאריות, אשר באופן הדוק יותר מחקה בתנאי שימוש תעשייתי של עיבוד של הצרכן, לשמש מודולים דינמיים המסכן תיאורים של התגובה. דרך אחרת להבין כמה חומרים רכים מרוכז מתנהגים מתוך שיווי משקל ולכן נדרש.
מספר האחרונות מחקרים9,10,11,12,13,14,15,16 הראו כי חומרים יעברו דרך שינויים מבניים, דינמיות מגוונות אינטרה-מחזור שהפיק דפורמציות גדולות משרעת בינוני מתנדנדות הטיה (MAOS)15,17 ו הטיה מתנדנדות משרעת גדולה משטרים (לאוס). השינויים המבניים, דינמיות אינטרה-מחזור יש ביטויים שונים, כגון שבירה של מיקרו, חיזקו מבניים, rearrangements מקומיים, הרפורמציה ושינויים diffusivity. אלה שינויים פיזיים אינטרה-מחזור המשטר לא לינארית להוביל התגובות מתח לא לינארית מורכבים לא יכול להתפרש בפשטות עם מודולים דינמיים. כחלופה, מספר גישות שהוצעו על הפרשנות של התגובות מתח לא-ליניאריות. דוגמאות נפוצות של זה הן פורייה המרה rheology (rheology מטרים)18, טור חזקות הרחבות11, תיאור צ'בישב19, ואודות הרצף של תהליכים פיזיקליים (SPP)5,8, 13,14,20 ניתוח. למרות כל הטכניקות הללו הוכחו להיות עמיד מבחינה מתמטית, זה עדיין שאלה ללא מענה לגבי אם באחת מהשיטות הבאות יכול לספק הסברים פיזי ברור והגיוני של תגובות הלחץ מתנדנדות לא-ליניאריות. זה נשאר אתגר מצטיינים להעניק פרשנויות תמציתי של נתונים rheological תשבחות אמצעים מבניים דינמיות.
במחקר שנערך לאחרונה, תגובת המתח לא לינארית של מודל Rheology מזוגגות רכות (SGR)8 וכוס רך העשוי colloidal פולימרים כוכב7תחת הטיה מתנדנדות נותחו באמצעות ערכת SPP. טמפורלית שינויים במאפייני אלסטיות וחוזק צמיגה הטמונה תגובות הלחץ לא לינארית היו לכמת בנפרד על-ידי מודולים SPP, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> , <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> </img>. יתר על כן, המעבר rheological המיוצג על-ידי מודולים ארעי היה בקורלציה במדויק לשינויים microstructural מיוצגים על ידי חלוקת אלמנטים mesoscopic. במחקר של מודל SGR8, זה בבירור הראו שכי פרשנות rheological באמצעות ערכת SPP משקף באופן מדויק השינויים הגופניים תחת בכל התנאים הטיה מתנדנדות המשטרים ליניאריים ולא -ליניאריים משקפי שמש רכה. יכולת ייחודית זו לספק מדויק הפירוש הפיזיקלי של תגובות לא לינארית של משקפיים רך הופך השיטה SPP גישה אטרקטיבי עבור החוקרים ללמוד out-של-שיווי משקל הדינמיקה של תמיסות פולימר וחומרים רכים אחרים.
ערכת SPP בנוי סביב הצגת התנהגויות rheological כפי שקורה במרחב תלת-ממדי (<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg">) כולל המתח (<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq6.jpg">), זן קצב (<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq7.jpg">), מתח (<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq8.jpg">)5. במובן המתמטי, תגובות הלחץ כאל פונקציות multivariable של זן ו זן קצב (<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq9.jpg">). כמו ההתנהגות rheological נחשב מסלול ב <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg"> (או פונקציה multivariable), כלי דנים את המאפיינים של מסלול נדרש. בגישה SPP, מודולים ארעית <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> , <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> ככזה. הנפח ארעית <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> , מודולוס צמיגה <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> מוגדרים נגזרות חלקיות של הלחץ ביחס המתח (<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq10.jpg">) וקצב זן (<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq11.jpg">). בעקבות ההגדרה הפיזי של מודולים אלסטיות וחוזק צמיגה דיפרנציאלית, מודולים ארעי לכמת השפעתה מיידית של זן וקצב המתח על תגובת המתח בהתאמה, ואילו שיטות ניתוח אחרות אין אפשרות לספק את כל מידע על תכונות אלסטיות וחוזק צמיגה בנפרד.
הגישה SPP מעשיר את הפרשנות של הבדיקות הטיה מתנדנדות. עם הניתוח של SPP, התנהגויות מורכבות rheological לא לינארית של תמיסות פולימרים מרוכז בלאוס אפשר קשורה ישירות ההתנהגויות rheological ליניארית ב- SAOS. אנחנו מראים בעבודה זו איך מרבית הנפח ארעי (<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq12.jpg">מקסימום) ליד המתח extrema מקביל המודולוס אחסון המשטר ליניארי (SAOS). יתר על כן, אנו מציגים כיצד המודולוס צמיגה ארעי (<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg">) במהלך לאוס מחזור רשמים עקומת זרימה מצב יציב. בנוסף מתן פרטים של רצף מורכב של תהליכים מרוכז תמיסות פולימר לעבור תחת לאוס, ערכת SPP מספק גם את המידע לגבי המתח ההשבה בחומר. מידע זה, שאינו בר השגה דרך גישות אחרות, הוא מדד שימושי של כמה חומר יירתע ברגע מתח יוסר. התנהגות כזו יש השפעה על שמשטחו הפתרונות מרוכז עבור יישומי הדפסה תלת-ממדית, וכן הדפסה המסך, סיבים היווצרות הפסקת זרימת. מספר מחקרים שנערכו לאחרונה,5,8,13 עולה בבירור כי המתח ההשבה היא לא בהכרח זהה המתח שהוטלו במהלך הניסויים לאוס. למשל, מחקר של משקפיים colloidal רך לפי לאוס13 מצאו כי המתח ההשבה הוא רק 5% כאשר משמעותית גדול יותר הכולל זן (420%) הוא הטיל. מחקרים אחרים16,21,22,23,24 באמצעות מודולוס21 את הכלוב גם להסיק אלסטיות ליניארי יכול להיות שנצפו תחת לאוס בנקודת סגור בן ציון לזר זן, רומז כי החומרים חוו דפורמציה קטן יחסית על הרגעים האלה. ערכת SPP הוא המסגרת היחידה ללאוס הבנה החשבונות עבור משמרת באיזון עומס שמוביל הבדל בין ההשבה של זנים הכולל.
מאמר זה נועד להקל על ההבנות ואת קלות השימוש של שיטת הניתוח SPP על-ידי מתן פרוטוקול מפורט freeware ניתוח לאוס, באמצעות שתי תמיסות פולימר מרוכז, עם 4 wt % xanthan מסטיק (XG) תמיסה מימית של 5% wt פאו בפתרון דימתיל סולפוקסיד. מערכות אלו נבחרו בגלל שלהם במגוון רחב של יישומים ומעניין rheologically מאפיינים. Xanthan מסטיק, הצפוני רב גבוהה משקל מולקולרי-סוכר טבעי, הוא מייצב ביעילותן מערכות מימית והחלת נפוץ בתור תוסף לספק viscosification הרצוי מזון או בשמן קידוח להגדיל צמיגות, תשואות נקודות קידוח כושים. פאו יש מאפיין ייחודי הידרופילית ומשמש לעיתים קרובות מוצרים פרמצבטיים, מערכות לשחרור מבוקר, כמו גם פעילויות משיקום קרקע. מערכות פולימרים אלה נבחנים בתנאים הטיה מתנדנדות שונים שנועדו משוער עיבוד, תחבורה והתנאים ביתי. למרות אלה תנאים מעשיים ייתכן כרוך בהכרח היפוך זרימה כמו הטיה מתנדנדות, השדה זרימה ניתן בקלות לקרב את ערכיהן מכוון עם שליטה עצמאית של משרעת יישומית, שהוטלו תדירות במבחן מתנדנדות. יתר על כן, ערכת SPP יכול לשמש כפי שמתואר כאן להבין מגוון רחב של סוגי זרימה, לרבות אלה שאינן כוללות זרימת ביטולי כגון הציעה לאחרונה אוד-לאוס25, שבו מוחלות תנודות משרעת גדולה אחת רק בכיוון (המוביל הכינוי "לאוס חד-כיוונית"). לשם הפשטות, ולשם המחשה, אנחנו מגבילים המחקר הנוכחי לאוס המסורתית, הכוללים היפוך זרימה תקופתיים. התגובות rheological נמדד מנותחים עם הגישה SPP. נדגים כיצד להשתמש בתוכנה SPP עם הסברים בסיסיים על חישוב הבולטות צעדים כדי לשפר את ההבנה והשימוש הקוראים. מקרא לפרש את התוצאות של ניתוח SPP הוא הציג, על-פי אשר סוג מעבר rheological מזוהה. תוצאות ניתוח SPP נציג פולימרים שני בתנאים הטיה מתנדנדות שונים מוצגים, שבו נוכל לזהות בבירור רצף של תהליכים פיזיקליים, המכיל מידע על התגובה viscoelastic ליניארית של החומר כמו גם המאפיינים מצב יציב זרימה של החומר.
פרוטוקול זה מספק פרטים הבולטות של כיצד לבצע במדויק לא לינארית ניסויים rheological, כמו גם צעד אחר צעד מדריך כדי ניתוח והבנה rheological תגובות עם SPP framework, כפי שמוצג באיור1. נתחיל על-ידי מתן מבוא לכלי המהיר וההתקנה ולידציות, ואחריו פקודות ספציפיות עבור ביצוע של rheometer זמין מסחרית לאסוף נתונים ארעית באיכות גבוהה. ברגע שהנתונים rheological הושגו, אנחנו מציגים freeware ניתוח SPP, עם מדריך מפורט. יתר על כן, נדון כיצד להבין את התגובה תלוי-זמן של שני פתרונות פולימרים מרוכז בתוך ערכת SPP, על ידי השוואת התוצאות המתקבלות מלאוס לטאטא את תדירות ליניארי-המשטר, עקומת זרימה מצב יציב. תוצאות אלו לזהות בבירור כי הפתרונות פולימר מעבר בין מצבי rheological נפרדות בתוך תנודה, המאפשרות תמונה מפורטת יותר של שלהם rheology ארעית לא לינארית להסתמן. נתונים אלה ניתן להשתמש כדי למטב את תנאי עיבוד מוצר למערך, תחבורה, ולהשתמש. אלה תלוית זמן תגובות נוספות לספק מסלולים פוטנציאליים לטופס בבירור יחסי מבנה-רכוש-עיבוד על ידי צימוד rheology עם microstructural מידע שהתקבל זווית קטנה פיזור של נייטרונים, צילומי רנטגן או (אור SANS SAXS, SALS, בהתאמה), מיקרוסקופיה, או סימולציות מפורט.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>SPP analysis software</td>
			<td>Simon Rogers Group (UIUC)</td>
			<td>SPPplus_v1p1</td>
			<td>Attached as supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>Mathwork</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rheometer</td>
			<td>Anton Paar</td>
			<td>MCR 702 TwinDrive</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50mm 2-degree cone</td>
			<td>Anton Paar</td>
			<td>CP50-2</td>
			<td>Upper measuring system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50mm plate</td>
			<td>Anton Paar</td>
			<td>PP50</td>
			<td>Lower measuring system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xanthan gum (XG)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>11138-66-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene oxide (PEO)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>25322-68-3</td>
			<td>Mv=1,000,000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimethyl sulfoxide (DMSO)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-68-5</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

studying large amplitude oscillatory shear response of soft materials

אנחנו חוקרים את הרצף של תהליכים פיזיקליים הציג במהלך משרעת גדולה מתנדנדות הטיה (לאוס) של תחמוצת פוליאתילן (פאו) דימתיל סולפוקסיד (דימתיל סולפוקסיד), xanthan מסטיק במים – שני מרוכז תמיסות פולימר משמש viscosifiers במזונות, שחזור משופר שמן, משיקום קרקע. הבנת ההתנהגות rheological לא לינארית מחומרים קלים חשוב בעיצוב, נשלט הייצור של מוצרי צריכה רבים. הוא הראה כיצד אפשר לפרש התגובה לאוס הפתרונות הללו פולימר מבחינת מעבר ברור מן viscoelasticity ליניארית דפורמציה viscoplastic וחזרה שוב במהלך תקופה. התוצאות לאוס הן שנותחה באמצעות הטכניקה במלואה כמותיים רצף של תהליכים פיזיים (SPP), באמצעות תוכנה חופשית מבוססת-MATLAB. נוהל מפורט של ביצוע מדידה לאוס עם rheometer המסחרי ניתוח תגובות הלחץ לא לינארית עם freeware, ופרשנות תהליכים פיזיקליים תחת לאוס מוצג. היא מופיעה בהמשך, במסגרת SPP, תגובה לאוס מכיל מידע לגבי viscoelasticity לינארי את העקומות זרימה ארעי, המתח קריטי אחראי על תחילתה של nonlinearity.

נציג תוצאות הניתוח SPP מ XG ופתרונות פאו/דימתיל סולפוקסיד תחת הטיה מתנדנדות בדיקות מוצגים איורים 4 ו- 5. תחילה נציג את הנתונים הגולמיים כמו אלסטית (<img alt="Equation 30" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq30.jpg">), צמיגה (<img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq31.jpg">) Lissajous-Bowditch עקומות דמוי...

Watch this Scientific Journal Video about Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials at JoVE.com

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

אנו מציגים פרוטוקול מפורט חלוקה לרמות ביצוע rheology לא לינארית הטיה מתנדנדות על חומרים רכים, וכיצד להפעיל את ניתוח SPP-לאוס כדי להבין את התגובות כרצף של תהליכים פיזיקליים.

לימוד התגובה הטיה מתנדנדות משרעת גדולה של חומרים רכים

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...

שיטה זו יכולה לסייע לענות על שאלות מפתח בתחום החומר הרך, כגון המתאם בין תגובות מקרוסקופיות למיקרוסקופיות. היתרון העיקרי של השיטה הוא שהיא יכולה לכמת את המאפיינים הוויקואלסטיים של חומרים לאורך ניסוי ריאולוגי בניגוד לשיטות המסורתיות המספקות מידע ממוצע. למרות שיטה זו יכולה לספק תובנה לתוך חומרים פולימריים, זה יכול לחול גם על מערכות אחרות, כגון ג'לים קולואידיים משקפיים וחומרים ביולוגיים.עבוד עם מד Rheometer שיכול לבצע מדידות בקרת כתמים. ראשית, חבר את גיאומטריית ההזנה העליונה והתחתון. עבור המתקן התחתון, להשתמש צלחת 50 מ"מ.השתמש חרוט שתי מעלות עבור המתקן העליון. לאחר מכן, אפס את הפער, כייל את המידות והגדר את הטמפרטורה. לאחר השלמת שלבים אלה, פתח את הפער בגיאומטריות מאפס כדי לאפשר את חומר הטעינה להיבדק.להמשיך הלאה כדי לקבל את החומר לבדיקה. במקרה זה, זה תחמוצת פוליאתילן ב DMSO, עם צבע אדום להדגמה. עם מרית, לטעון את החומר על החלק העליון של הגיאומטריה התחתונה.ודא כי אין בועות אוויר הם entrained בדגימה של Rheometer. לעבוד עם מערכות המדידה, להגדיר לקצץ פער. השתמש מרית מרובע בסוף הגיאומטריה כדי לקצץ בעדינות חומר עודף.חזור לפער המדידה, לפני שתמשיך. הפעל את בדיקת ההטיה הנדנודה הסינוסואידית באמצעות תוכנה. נווט אל היישומים שלי.למצוא ולפתוח משרעת גדולה נדנודה גימה. לאחר מכן, עבור לתיבת המדידה. שם, לחץ על משתנה המתח.הזן את הערך הראשוני והאחרון עבור סריקת משרעת מאמץ. 1 ו-4000 אחוז בהתאמה. ציין את התדירות שנכפתה.כמו כן, הגדר את המספר הכולל של משרעת זן בטווח שנבחר ל 16. סמן את התיבה קבל צורת גל כדי לאסוף תגובות ארעיות. לחץ על לחצן התחל כדי להתחיל את הניסויים.הנתונים יוצגו במהלך הריצה בת כחמש הדקות. ניתן להשתמש ברומטר גם עבור עיוותים המוגדרים באופן שרירותי. בקובץ חיצוני צור רשימה של ערכי מאמץ כדי להגדיר את הפונקציה שיש להחיל.עבור אל תוכנת Rheometry ולחץ על היישומים שלי. ולחץ על מחולל השלטים של צורת הגל. בתיבת המדידה, לחץ על המתח.משם, לחץ על עריכה. ברשימת הערכים, הדבק את ערכי המתח שנקבעו מראש מהקובץ החיצוני. ציין את מספר הנקודות שהוזנו, את משך הנקודה ואת הזמן להתאמת התדירות שנכפתה.כשתסיים, סמן את התיבה קבל צורת גל בחלק העליון. לאחר מכן לחץ על לחצן התחל כדי להתחיל בניסוי. נתוני מדידה יופיעו על הצג ככל שהניסוי יתקדם.נתונים אלה הם עבור פתרון מסטיק Xanthan תחת בדיקות גיזום נדנודה. עקומות מאמץ לא ליניאריות אלה מצביעות על כך שרצף של תהליכים פיזיקליים מתרחש בתוך החומר. רצף של תהליכים פיזיקליים ותוועי ניתוח קובע את המודולי ה חולף המסמן את המאפיינים האלסטיים וצמיגים של חומרים.האבולוציה שלהם חושפת התנהגות תחת תנודות משרעת גדולות. כאן, המופע של גמישות מקסימלית הם כמעט קבועים על פני משרעת. חלקה של גמישות מקסימלית זו נצפתה במהלך גזירת משרעת גדולה ואת מודולי דינמי על פני מגוון משרעת מגלה התכתבות ברורה עם מודולוס אחסון משטרים ליניאריים.הזן האלסטי שנקבע על ידי רצף התוכנה לתהליכים פיזיקליים במקרה של גמישות מקסימלית הוא כ -16 אחוזים, גם כאשר המתח המיושם הוא גדול כמו 4000 אחוזים. הנה רצף של תהליכים פיזיקליים שעבר פתרון מסטיק קסנטן. במשטר הוויסקופלסטי, הניתוח מצביע על גמישות אפסית.ככל שקצב ההגרלה יורד, הפתרון מתקשה ומצביע על כך שהמבנה שלו מתרכך. לאחר הזן מספיק נרכש, יש מעבר מהיר מהתנהגות אלסטית צמיג. לאחר התשואה, התגובה חוזרת למשטר הדפורמציה הוויסקופלסטי והרצפים מתרחשים בכיוון ההפוך.לאחר התפתחותה, טכניקה זו סוללת את הדרך לחוקרים בתחום הריאולוגיה של חומר רך, כדי לחקור עוד יותר את יחסי עיבוד המאפיינים של מבנה חולף.

Education

Research

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Internal Forces

Principal Stresses under a Given Loading

Equilibrium and Elasticity

SCIENTISTS IN ACTION

Controlling the Size, Shape and Stability of Supramolecular Polymers in Water

שליטה על גודל, צורה ויציבות של פולימרים מולקולריים במים

For aqueous based supramolecular polymers, the simultaneous control over shape, size and stability is very difficult1. At the same time, the ability to do ...

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

הדפסת המייקר 3D באמצעות מקרן דיגיטלי ותחולתו בחקר מכניקת חומרים רכות

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new ...

Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid

הדמיה ברזולוציה משנה ננומטר עם מיקרוסקופית כוח אטומי משרעת אפנון בנוזל

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

לימוד תהליכים דינמיים של אובייקטים בגודל ננו בנוזל באמצעות מיקרוסקופי אלקטרוני סריקת הילוכים

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

הכנה של גביש נוזלי רשתות מאקרוסקופית תנועה מתנדנדות המושרה על ידי אור

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Atmospheric Pressure Fabrication of Large-Sized Single-Layer Rectangular SnSe Flakes

לחץ אטמוספירי ייצור של פתיתי בשכבה יחידה מדוד גדול מלבני SnSe

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for ...

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

פעפוע של המשדרים פסיבי בזרימת הטיה למינריות

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

ייצור של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם המלוכסן צ'יימברס

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

הייצור המהיר של הפעילים הפניאומטיים והרובוטים הדקים

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

הייצור של מפעיל פחמן מבוססי Electromechanically Active מפעילים רכים

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...