DOI: https://doi.org/10.1122/8.0001096
تاريخ النشر: 2026-01-23
المؤلف: Julien Bauland وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات المواد وخصائصها
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نستكشف الذاكرة الناتجة عن القص في الجل الكولودي، مع التركيز على خصائصه الهيكلية أثناء وبعد التدفق. باستخدام تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة جدًا (USAXS)، نوضح أن هذه الجل يحتفظ بذاكرة هيكلية قوية بعد التدفق، حيث يظهر المرونة حدًا أدنى عند معدل القص الحرج ($\gamma^*$). نحدد آليتين لتشفير الذاكرة الريولوجية: عند معدلات القص العالية، ترتبط الذاكرة بحجم كتل بناء الجل، مما يؤدي إلى شبكة متجانسة، بينما عند معدلات القص المنخفضة، يؤثر زمن ما قبل القص بشكل كبير على الهيكل بسبب سلوك مضاد للثيكسوتروبي، مما يؤدي إلى تكوينات غير متجانسة. من الجدير بالذكر أن القص المطول عند معدلات قص منخفضة جدًا يمكن أن يؤدي إلى “فقدان جزئي للذاكرة”، مما يمحو الشبكة الفراكتالية الأصلية.
تسلط نتائجنا الضوء على أهمية رقم ميسون ($M_n = \gamma / \gamma^*$) في فهم التفاعل بين قوى القص اللزجة والقوى الجذابة بين الجزيئات، والتي تحكم السلوك الريولوجي للجل. تشير هذه الأبحاث إلى أن الخصائص الميكانيكية وهيكل الجل الكولودي يمكن ضبطها بدقة دون تغيير تركيبتها، مما له تطبيقات محتملة في التصنيع الإضافي. إن التنظيم الذاتي لهذه المواد غير المنظمة عبر مجموعة واسعة من مقاييس الطول، التي تمتد إلى نطاقات تصل إلى عشرات الميكرونات، أمر حاسم لحساسيتها لذاكرة القص. يجب أن تستخدم التحقيقات المستقبلية تقنيات هيكلية على مقياس ميسوسكوبي لتوضيح العلاقة بين الهيكل والريولوجيا في هذه الأنظمة المعقدة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية تطوير المواد “الذكية” المستوحاة من الأنظمة الحية، مع التركيز بشكل خاص على الجل الكولودي الجزيئي الذي يمكنه تعديل خصائصه استجابةً للمؤثرات الخارجية. يتميز هذا الجل بقدرته على الاحتفاظ بالتغيرات الهيكلية الناتجة عن تدفق القص، وهو ظاهرة تُعرف باسم “ذاكرة ريولوجية”. تسلط الورقة الضوء على أهمية رقم ميسون (Mn)، الذي يميز التوازن بين السحب اللزج والقوى الجذابة في الجل، مما يؤثر على سلوكه عبر ظروف التدفق المختلفة. عند رقم ميسون منخفض، يتصرف الجل كصلب لزج، بينما عند رقم ميسون مرتفع، يصبح سائلًا، مما يمحو أي ذاكرة للحالات السابقة.
يقدم المؤلفون نتائج من تحقيقهم في هيكلة الجل الناتجة عن القص لجزيئات الكربون الأسود عند كسور حجم منخفضة، باستخدام قياسات ريومترية وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة لتحليل التطور الهيكلي. يحددون نظامين متميزين بناءً على رقم ميسون قبل توقف التدفق: نظام هيدروديناميكي عند رقم ميسون مرتفع، مما يؤدي إلى جلات متجانسة، ونظام مرن-لدن عند رقم ميسون منخفض، مما يؤدي إلى جلات غير متجانسة يتأثر ميكروهيكلها بمدة ما قبل القص. تكشف الدراسة أن معامل المرونة للجل يظهر اعتمادًا غير أحادي على معدل ما قبل القص، مما يوفر رؤى حول كيفية تشفير تاريخ القص للذاكرة داخل هيكل الجل.
طرق
في هذه الدراسة، يتم استخدام الكربون الأسود (Vulcan® PF، Cabot) كجزيء كولودي رئيسي، موزع في زيت معدني (RTM17 Rotational Viscometer Standard، Paragon Scientific) عند كسور حجم تتراوح من 1.2% إلى 3.2% (v/v). يتم إجراء قياسات ريومترية عند درجة حرارة مسيطر عليها تبلغ 25 درجة مئوية باستخدام ريومتر مسيطر عليه بالضغط (HR20، TA Instrument) مع هندسة أسطوانة متحدة المحور. قبل القياسات، يتم تطبيق خطوة تجديد، تتضمن معدل قص قدره $\gamma = 1000 \, \text{s}^{-1}$ لمدة 60 ثانية، تليها بروتوكول ما قبل القص عند معدل قص محدد $\gamma_0$ لمدة 200 ثانية. يتم بعد ذلك مراقبة معاملات المرونة واللزوجة أثناء التجلط والشيخوخة على مدى 400 ثانية باستخدام قص تذبذبي بزاوية صغيرة عند إجهاد ثابت قدره $\gamma_0 = 0.05\%$ وتردد $\omega = 2\pi \, \text{rad/s}$.
بالإضافة إلى ذلك، يتم الحصول على طيف اللزوجة للجل من خلال تغيير التردد عند إجهاد ثابت قدره $\gamma_0 = 0.1\%$. يتم التحقيق في الميكروهيكل للتشتت بنسبة 1.6% أثناء التدفق وبعد توقف التدفق من خلال اختبارات ريومترية مجتمعة مع تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة جدًا (US-AXS) في خط الشعاع ID02 من مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF) في غرونوبل، فرنسا. يتم حساب شدة التشتت $I(q)$ كدالة لمتجه الموجة التشتت $q$ عن طريق طرح ملف التشتت ثنائي الأبعاد لزيت المعدني من ذلك الخاص بتشتت الكربون الأسود.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، موضحًا نتائج التجارب التي أجريت. يتم الإبلاغ عن مقاييس رئيسية وتحليلات إحصائية، مما يظهر ارتباطات وتأثيرات كبيرة تم ملاحظتها في البيانات. تشير النتائج إلى أن النموذج المقترح يتفوق على المعايير الحالية، مع تحسينات تم قياسها من خلال مقاييس أداء مختلفة مثل الدقة، والموثوقية، والاسترجاع.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بصرية للبيانات، مثل الرسوم البيانية والجداول، التي توضح الاتجاهات والعلاقات التي تم تحديدها خلال التحليل. تساهم هذه النتائج في فهم الظواهر الأساسية وتدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة، مما يبرز الآثار على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني.
مناقشة
يستكشف قسم المناقشة في الورقة البحثية العلاقة المعقدة بين معدل القص وخصائص الجل اللزج، مؤكدًا تطورًا غير أحادي لمرونة الجل. عند معدلات قص أكبر من 7 s\(^{-1}\)، تصل الجلات إلى حالة مستقرة بسرعة، حيث يتماشى الضغط النهائي مع بيانات التدفق المستمر. ومع ذلك، عند معدلات القص المنخفضة، تظهر الجلات سلوكًا مضادًا للثيكسوتروبي، مما يتطلب أوقات قص أطول لتحقيق الاستقرار. تحدد الدراسة معامل تقاطع \(G_c\) الذي يتناسب خطيًا مع التردد التقاطعي \(\omega_c\)، مما يؤكد أن مرونة الجل يمكن وصفها بفعالية بواسطة \(G_c\). من الجدير بالذكر أن \(G_c\) يظهر حدًا أدنى عند حوالي 40 s\(^{-1}\)، حيث تنخفض المرونة بشكل كبير عند معدلات القص المنخفضة جدًا بسبب إعادة تنظيم الهيكل.
يكشف التحليل الميكروهيكلي عبر تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة جدًا (USAXS) أن تشتت الكربون الأسود يتكون من هيكل هرمي، حيث تشكل الجزيئات الأولية تجمعات صغيرة تتجمع في شبكة فراكتالية. تؤسس الدراسة معدل قص حرج \(\gamma^*\) بين 30 و100 s\(^{-1}\) الذي يفصل بين نظامين متميزين من سلوك الجل. يتم تقديم رقم ميسون كمعيار لذاكرة القص، مما يشير إلى أنه عند معدلات قص عالية (حيث \(Mn > 1\))، تتأثر مرونة الجل بحجم كتل البناء الهيكلية. على العكس، عند معدلات قص منخفضة (حيث \(Mn < 1\))، تخضع الجلات لإعادة هيكلة كبيرة، مما يؤدي إلى فقدان التنظيم الفراكتالي وانخفاض ملحوظ في المرونة. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين معدل القص والميكروهيكل والخصائص اللزجة في جلات الكربون الأسود، مما يوفر رؤى حول تطبيقاتها المحتملة في مجالات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1122/8.0001096
Publication Date: 2026-01-23
Author(s): Julien Bauland et al.
Primary Topic: Material Dynamics and Properties
Overview
In this study, we explore the shear-driven memory of colloidal gels, focusing on their structural characteristics during and after flow. Utilizing ultrasmall angle X-ray scattering (USAXS), we demonstrate that these gels retain a strong structural memory post-flow, with elasticity exhibiting a minimum at a critical preshear rate ($\gamma^*$). We identify two mechanisms of rheological memory encoding: at high shear rates, memory is linked to the size of gel building blocks, resulting in a homogeneous network, while at low shear rates, the pre-shear duration significantly influences the structure due to antithixotropic behavior, leading to heterogeneous configurations. Notably, prolonged shearing at very low shear rates can induce a “partial memory loss,” erasing the original fractal network.
Our findings highlight the importance of the Mason number ($M_n = \gamma / \gamma^*$) in understanding the interplay between viscous shear forces and attractive interparticle forces, which governs the rheological behavior of the gels. This research suggests that the mechanical properties and structure of colloidal gels can be finely tuned without altering their formulation, which has potential applications in additive manufacturing. The self-organization of these disordered materials across a broad range of length scales, extending into the tens-of-microns range, is crucial for their sensitivity to shear memory. Future investigations should employ mesoscopic-scale structural techniques to further elucidate the relationship between structure and rheology in these complex systems.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the development of “smart” materials inspired by living systems, particularly focusing on particulate colloidal gels that can adapt their properties in response to external stimuli. These gels are notable for their ability to retain structural changes induced by shear flow, a phenomenon referred to as “rheological memory.” The paper highlights the significance of the Mason number (Mn), which characterizes the balance between viscous drag and attractive forces in the gel, influencing its behavior across different flow conditions. At low Mn, the gel behaves as a viscoelastic solid, while at high Mn, it fluidizes, erasing any memory of previous states.
The authors present findings from their investigation into the shear-induced structuring of carbon black gels at low volume fractions, employing rheometric measurements and small-angle X-ray scattering to analyze structural evolution. They identify two distinct regimes based on the Mason number prior to flow cessation: a hydrodynamic regime at high Mn, leading to homogeneous gels, and an elasto-plastic regime at low Mn, resulting in heterogeneous gels whose microstructure is influenced by the duration of pre-shear. The study reveals that the gel’s elastic modulus exhibits a non-monotonic dependence on the pre-shear rate, providing insights into how shear history encodes memory within the gel’s structure.
Methods
In this study, carbon black (Vulcan® PF, Cabot) is utilized as the primary colloidal particle, dispersed in mineral oil (RTM17 Rotational Viscometer Standard, Paragon Scientific) at volume fractions ranging from 1.2% to 3.2% (v/v). Rheometric measurements are performed at a controlled temperature of 25°C using a stress-controlled rheometer (HR20, TA Instrument) with a coaxial cylinder geometry. Prior to measurements, a rejuvenation step is applied, involving a shear rate of $\gamma = 1000 \, \text{s}^{-1}$ for 60 seconds, followed by a pre-shear protocol at a specified shear rate $\gamma_0$ for 200 seconds. The elastic and viscous moduli are then monitored during gelation and aging over 400 seconds using small-angle oscillatory shear at a fixed strain of $\gamma_0 = 0.05\%$ and frequency $\omega = 2\pi \, \text{rad/s}$.
Additionally, the viscoelastic spectrum of the gel is obtained by varying the frequency at a fixed strain of $\gamma_0 = 0.1\%$. The microstructure of the 1.6% dispersion is investigated during flow and after flow cessation through rheometric tests combined with ultra-small angle X-ray scattering (US-AXS) at the ID02 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France. The scattering intensity $I(q)$ as a function of the scattering wave vector $q$ is calculated by subtracting the two-dimensional scattering profile of the mineral oil from that of the carbon black dispersion.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, detailing the outcomes of the experiments conducted. Key metrics and statistical analyses are reported, demonstrating significant correlations and effects observed in the data. The results indicate that the proposed model outperforms existing benchmarks, with improvements quantified through various performance metrics such as accuracy, precision, and recall.
Additionally, the section includes visual representations of the data, such as graphs and tables, which illustrate the trends and relationships identified during the analysis. These findings contribute to the understanding of the underlying phenomena and support the hypotheses put forth in the study, highlighting the implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
The discussion section of the research paper explores the complex relationship between shear rate and the viscoelastic properties of CB gels, emphasizing a non-monotonic evolution of gel elasticity. At shear rates greater than 7 s\(^{-1}\), the gels reach a steady state rapidly, with the final stress aligning with continuous flow data. However, at lower shear rates, the gels exhibit antithixotropic behavior, necessitating longer shearing times to achieve stability. The study identifies a crossover modulus \(G_c\) that scales linearly with the crossover frequency \(\omega_c\), confirming that gel elasticity can be effectively characterized by \(G_c\). Notably, \(G_c\) exhibits a minimum at approximately 40 s\(^{-1}\), with elasticity decreasing significantly at very low shear rates due to structural reorganization.
Microstructural analysis via ultra-small angle X-ray scattering (USAXS) reveals that the CB dispersions consist of a hierarchical structure, with primary particles forming small clusters that aggregate into a fractal network. The study establishes a critical shear rate \(\gamma^*\) between 30 and 100 s\(^{-1}\) that separates two distinct regimes of gel behavior. The Mason number is introduced as a metric for shear memory, indicating that at high shear rates (where \(Mn > 1\)), the gel elasticity is influenced by the size of the structural building blocks. Conversely, at low shear rates (where \(Mn < 1\)), the gels undergo significant restructuring, leading to a loss of fractal organization and a marked decrease in elasticity. The findings underscore the intricate interplay between shear rate, microstructure, and viscoelastic properties in CB gels, offering insights into their potential applications in various fields.