Bögen und Lawinen in partikelstabilisierten Grenzflächen

Das Projekt Bögen und Lawinen in partikelbeladenen Grenzflächen konzentriert sich auf flüssige Grenzflächen, die durch eine dichte Schicht von Mikropartikeln, die an ihnen haften, stabilisiert werden. Diese Adsorption und die resultierende Stabilisierung werden durch Kapillarität angetrieben, d. h. durch die Tatsache, dass bei mikro- und millime-trischen Maßstäben die Form eines flüssigen Teils durch die Minimierung seiner Oberflächenenergie festgelegt wird. Obwohl diese Grenzflächen den meisten von uns weitgehend unbekannt sind, sind sie sowohl in der Natur - beispielsweise in Form von Regentropfen, die mit Pollen, Staub oder Sand bedeckt sind - als auch in Industrieprodukten wie Emulsionen und ultrastabilen Schäumen üblich. Die Beziehung zwischen den makroskopischen Eigenschaften dieser Grenzflächen und den Eigenschaften der einzelnen Partikel aus denen sie bestehen, ist nach wie vor wenig bekannt. Der Mangel an Wissen ist besonders problematisch für große und schnelle Verformungen, die tatsächlich den typischen Bedingungen entsprechen, die während industrieller Prozesse auftreten. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, diese Lücke mit einem ursprünglichen experimentellen Ansatz zu schließen. Letzteres basiert auf zwei Aspekten: dem sorgfältigen Design von Partikeln mit unterschiedlichen und kontrollierten Eigenschaften und der gleichzeitigen Beobachtung der Grenzflächenkompression / - dekompression auf Mikro-, Meso- und Makroebene. Zu diesem Zweck verfolgt ein Interferometer die Position einzelner Partikel in Bezug auf die Flüssigkeitsgrenzfläche. Die Verwendung von Hochgeschwindigkeitskameras ermöglicht die Visualisierung von Änderungen der Partikelpackung und -dichte auf dem Niveau von zehn bis einigen hunderten von Partikeln, während Sichtverformung und Druckvariationen auf Schnittstellenebene gemessen werden. Die Ergebnisse werden verwendet, um bestehende Modelle zu verbessern, die vor allen deshalb versagen, weil sie auf einem kontinuierlichen Ansatz beruhen und die Grenzflächen als elastische Membranen betrachten. Unsere Daten sollten es uns ermöglichen, ihren granularen Charakter zu berücksichtigen und daher ungeklärte Phänomene wie Bögen und Lawinen wiederzugeben.

Mikropartikel können an der Grenzfläche zwischen Fluiden gefangen werden und dort dichte Monoschicht bilden. Diese Partikeln reduzieren die Oberflächenenergie und stabilisieren die bedeckten Grenzflächen, indem sie direkten Kontakt zwischen dem gepanzerten Fluid und seiner Umgebung verhindern. Diese Mikropartikel erscheinen daher als vielversprechende Materialien, um Tenside zu ersetzen. Tenside sind Moleküle, die für die Herstellung von Schaum oder Emulsionen unerlässlich sind. Leider, können die nicht leicht zurückgewonnen werden und sind für die meisten Lebewesen giftig. Im Gegensatz zu Tensiden sind Mikropartikel jedoch nur an der Grenzfläche zu finden und können keine Reservoirs im Fluid bilden, um Lücken zu schließen, die an der Grenzfläche entstehen könnten. Um diese Einschränkungen besser zu bewerten, haben wir untersucht, wie komprimierte Partikelschichten unter der plötzlichen und lokalen Freisetzung der Kompression nachgeben. Wir zeigten, dass im Gegensatz zu kontinuierlichen Medien wie isotropen Feststoffen oder Fluiden die Antwort dieser granularen Monoschicht stark von der Richtung der Kompression abhängt. Wir erklärten diese Ergebnisse durch die Entwicklung eines Netzwerks aus Partikelketten, die den Stress im gesamten System übertragen. Für Lücken, die sich an der Seite befinden, von der aus die Kompression gebaut wurde, werden Schlüsselpartikel entfernt, und eine Lawine entwickelt sich, die viele Partikel liefert, die die Grenzfläche schnell abdichten. Im Gegensatz dazu bleiben bei Lücken zwischen diese Partikelketten, freie Partikel stecken und können die Lücke in der Abdeckung nicht füllen. Unser Projekt hat auch die Wirkung der Lückegröße, des ursprünglichen Kompressionsniveaus der Schicht, ihrer ursprünglichen Länge, die den Abstand zum zu füllenden Lücke festlegt, und unerwartet das "Alter" der Partikel aufgezeigt. Hierbei muss das "Alter" als die Bewegungen verstanden werden, denen die Partikel ausgesetzt waren, während sie an der Grenzfläche waren. Frische Partikel wurden einfach gestreut, während alte Partikel mehrere Minuten lang gemischt wurden. Wir interpretieren diese Ergebnisse unter Berücksichtigung der möglichen Alterung der Kontaktlinie, die sich zwischen den einzelnen Partikeln entwickelt. Letztere kann die lateralen Attraktionen dieser Partikel sowie die Reibung zwischen ihnen beeinflussen und somit die Kohäsion der Monoschicht und ihre Selbstheilungsfähigkeit verändern. Schließlich haben wir zur Charakterisierung der Dynamik der um die Partikel herum gefundenen Kontaktlinien eine neuartige interferometrische Methode entwickelt, die eine sehr hohe zeitliche und räumliche Auflösung bietet. Die Methode kann verwendet werden, um Grenzflächenabweichungen unabhängig von ihrer Herkunft zu untersuchen und sollte daher auch für andere Anwendungen von Interesse sein.