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Jul 16, 2023

Transport optique complexe, dynamique et rhéologie d'émulsions moyennement attractives

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 1791 (2023) Citer cet article 587 Accès 1 Citations 2 Détails des métriques altmétriques Introduction d'attractions à courte portée dans les systèmes browniens de monodisperses

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1791 (2023) Citer cet article

587 Accès

1 Citation

2 Altmétrique

Détails des métriques

L'introduction d'attractions à courte portée dans les systèmes browniens de sphères colloïdales monodispersées peut avoir un impact considérable sur leurs structures et par conséquent sur leur transport optique et leurs propriétés rhéologiques. Ici, pour les émulsions colloïdales fractionnées en taille, nous montrons qu'imposer une force d'attraction intermédiaire, bien supérieure mais pas beaucoup plus grande que l'énergie thermique (\(\environ 5,6\) \(k_{\textrm{B}}T)\) , par l'épuisement micellaire, conduit à une encoche frappante dans le libre parcours moyen inverse mesuré du transport optique, \(1/\ell ^*\), en fonction de la fraction volumique des gouttelettes, \(\phi\). Cette encoche, qui apparaît entre la transition vitreuse des sphères dures, \(\phi _{\textrm{g}}\), et le brouillage aléatoire maximal, \(\phi _{\textrm{MRJ}}\), implique le existence d'une plus grande population d'amas compacts et denses de gouttelettes, par rapport aux réseaux ténus de gouttelettes dans des gels d'émulsion fortement attractifs. Nous étendons un modèle de réseau noyau-coque décoré antérieur pour les systèmes colloïdaux fortement attractifs afin d'inclure des amas denses non percolants qui ne contribuent pas à la rigidité au cisaillement. En limitant ce modèle étendu à l'aide du \(1/\ell ^*(\phi )\ mesuré), nous améliorons et élargissons l'interprétation microrhéologique des expériences de spectroscopie d'ondes par diffusion (DWS) réalisées sur des systèmes colloïdaux attrayants. Nos mesures et notre modélisation démontrent la richesse et la complexité des propriétés rhéologiques de transport optique et de cisaillement de systèmes colloïdaux denses et désordonnés ayant des attractions intermédiaires à courte portée entre les verres modérément attractifs et les gels fortement attractifs.

Imposer des interactions attractives à courte portée entre des colloïdes dans une phase liquide continue peut modifier considérablement un large éventail de systèmes colloïdaux browniens, à la fois en équilibre et hors équilibre, conduisant à différentes morphologies structurelles, dynamiques et propriétés physiques1,2,3,4,5. ,6,7,8. En particulier, pour des fractions volumiques colloïdales plus élevées, \(\phi\), au-delà de la limite diluée et pour des interactions attractives bien plus fortes que l'énergie thermique, \(k_{\textrm{B}}T\), où \(k_ {\textrm{B}}\) est la constante de Boltzmann et T est la température, des réseaux de colloïdes peuvent se former, donnant des gels colloïdaux6,9,10,11,12. La forme, la distribution de taille et la déformabilité des colloïdes, l'historique de préparation et d'écoulement imposé au système, ainsi que le type, la portée et la force des attractions intercolloïdales sont autant de facteurs qui peuvent affecter la structure, la dynamique et les propriétés des colloïdes. gels13,14. Par exemple, les systèmes fortement attractifs à courte portée formés par liaison glissante, résultant d'un puits attractif secondaire profond dans le potentiel d'interaction, peuvent avoir des distributions de nombres de coordination locale différentes de celles des systèmes solides-particulaires formés par des systèmes rigides au cisaillement. liaison14,15,16, provenant d'un puits attractif primaire extrêmement profond1,17. Les gels colloïdaux fortement attractifs représentent un type spécifique de système colloïdal ayant une structure localement désordonnée, mais pour lequel une échelle de longueur caractéristique associée à une taille de maille moyenne peut émerger grâce au processus d'agrégation de grappes à diffusion limitée (DLCA) 2,18. En revanche, dans l'autre limite des attractions colloïdales très faibles, se rapprochant des interactions presque dures (NH), des verres colloïdaux désordonnés peuvent se former par compression osmotique rapide en \(\phi\) denses. Une compression osmotique supplémentaire d'un verre colloïdal à un \(\phi\) encore plus élevé peut conduire à un verre colloïdal coincé.

Bien que les gels colloïdaux et les verres colloïdaux soient tous deux désordonnés et puissent présenter une élasticité de cisaillement plateau à basse fréquence, ils représentent deux types différents de systèmes élastiques mous qui se distinguent principalement par la force des attractions colloïdales par rapport à \(k_{\textrm{B}} T\). Nous nous référons aux systèmes colloïdaux denses qui ont des interactions allant de faiblement attractives à dures et qui manquent de relaxation à long terme sous le nom de verres colloïdaux, puisque les concepts classiques de transition ergodique-nonergodique pour les sphères dures s'appliquent dans cette limite de force attractive disparaissante. Pour \(\phi\) juste au-dessus de la fraction volumique de transition vitreuse des sphères dures monodispersées, \(\phi _{\textrm{g}} \approx\) 0,56–0,5819,20,21, ces verres à sphère dure présentent un module de stockage en cisaillement de plateau élastique à fréquence nulle, \(G^\prime _\text {p}\), en raison de la nonergodicité et des microétats de translation accessibles très limités par colloïde en moyenne ; pourtant, la magnitude de \(G^\prime _\text {p}\) reste finie même si \(\phi\) augmente légèrement au-dessus de \(\phi _{\textrm{g}}\). Par exemple, la théorie classique du couplage de modes (MCT)22,23 décrit la dynamique vitreuse dans les liquides formant du verre ainsi que dans les systèmes colloïdaux à interaction dure24 ; MCT prédit une divergence dans le temps de relaxation des fluctuations de densité à mesure que \(\phi\) est élevé vers \(\phi _{\textrm{g}}\). Cependant, pour des \(\phi\ encore plus grands), les verres colloïdaux de sphères dures et rigides se rapprochent du point de brouillage aléatoire maximal (MRJ), \(\phi _{\textrm{MRJ}} \approx\) 0,646 (un raffinement perspicace de le concept antérieur d'emballage serré aléatoire26), la fréquence zéro \(G^\prime _\text {p}\) diverge effectivement lorsque les colloïdes idéalement rigides se coincent et se touchent. En revanche, les gels colloïdaux, qui sont constitués de réseaux remplissant l'espace, peuvent avoir une fréquence nulle substantielle \(G^\prime _\text {p}\) pour \(\phi\) bien en dessous de \(\phi _{\ textrm{g}}\). Dans les deux cas, si les objets colloïdaux sont mous plutôt que des sphères solides très rigides, cette douceur peut modifier le comportement, et \(G^\prime _\text {p}\) ne diverge pas à \(\phi _{ \textrm{MRJ}}\)27. De plus, les forces des attractions à courte portée ainsi que les répulsions stabilisatrices, qui peuvent être présentes à une distance encore plus courte que les attractions, peuvent influencer à la fois l'apparition et la dépendance de \(\phi\) de \(G^\prime _\ texte {p}\)28,29. Pour des forces d'attraction \(\phi\) suffisamment faibles et intermédiaires, une coexistence en deux phases entre une phase monomère de type gazeux et une phase d'amas non percolante de type liquide peut se produire6,30,31 ; pourtant, pour \(\phi\) bien en dessous de \(\phi _{\textrm{g}}\), en raison de l'absence de réseaux percolants rigides au cisaillement, la rhéologie de cisaillement de tels systèmes d'amas de gaz est principalement visqueuse, pas élastique.