قياس المواد المجهرية تحت التدفق باستخدام الطائرة 1-2 التدفق الصغيرة زاوية تشتت النيوترونات

الهدف العام من هذا الإجراء هو استخدام تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة مع بيئة عينات بخلية قص لدراسة البنية المجهرية للسوائل المعقدة في مستوى تدرج السرعة للقص. يتم تحقيق ذلك أولاً من خلال تجميع بيئة عينات بخلية قص محكمة الإغلاق. وتتمثل الخطوة الثانية في تثبيت خلية القص في كتيفة تثبيت الخلية الموجودة على اللوحة الحمراء في مرحلة بيئة العينات لخط شعاع النيوترونات.

بعد ذلك، يتم تحميل العينة بعناية في خلية القص لتجنب إدخال فقاعات هوائية في الحجم التجريبي، وتتمثل الخطوة النهائية في تشغيل التجربة أولاً عن طريق تحديد معدل القص الذي تُقص عنده العينة باستخدام برنامج التحكم في المحرك. وثانياً، إعداد تجارب التشتت الضوئي (sands) المطلوبة وفقاً لإجراءات التشتت الضوئي الموحدة. وفي النهاية، تُستخدم بيئة عينة خلية قص التشتت الضوئي (sands) لقياس البنية المجهرية الزمانية والمكانية لسائل معقد تحت تأثير القص.

في هذا المثال، نبحث في البنية المجهرية لمحلول من المواد الخافضة للتوتر السطحي مع عدم استقرار تدفق تشكيك القص في اتجاه تدرج سرعة القص. أنا بول باتلر، قائد فريق العلوم الجزيئية الضخمة والبنية المجهرية هنا في مركز NIST لأبحاث النيوترونات، وأقوم بشرح التجربة. ستكون معنا اليوم كيت كيرنان، طالبة دراسات عليا في مجموعة نورم واغنر بجامعة ديلاوير.

يعد العرض المرئي لهذه التجربة أمراً بالغ الأهمية نظراً لوجود العديد من الخطوات والتقنيات الضرورية لتجميع خلية القص وتحميل العينة. وبمجرد وضع خلية القص على خط الحزمة، يمكن استقصاء السوائل المعقدة تحت تدفق القص باستخدام تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة. وتتمثل الخطوة الأولى بعد تصنيع الأجزاء في تجميع خلية القص.

ابدأ بتنظيف اللوح الأوسط، بما في ذلك مسارات تحميل العينة ومسارات براغي التثبيت. حدد الجزء العلوي من اللوح المشار إليه بعلامة حز. لف برغي تثبيت بشريط تسريب اللولب واستخدم مفتاح ألن لربطه في إحدى الفتحات الموجودة في الأسفل.

قم بلف وإدخال مسماري التثبيت المتبقيين في الفتحة السفلية الأخرى والفتحة الموجودة على الجانب. بعد ذلك، ضع الحلقات الدائرية البيضاء O-rings في الأخاديد الموجودة على كلا جانبي اللوحة. الآن ابدأ العمل على اللوحة الأمامية.

أدخل جلبة السقف المحملة بزنبرك في اللوحة بحيث يكون جانب الزنبرك مفتوحاً باتجاه العينة. ضع حلقات O-rings المزدوجة الإحكام المربعة الصغيرة والكبيرة في أخاديد اللوحة. استكمل العمل على اللوحة الأمامية بوضع نافذة الكوارتز فوق حلقات O-rings المربعة.

قم بتجهيز الصفيحة الخلفية بنفس طريقة تجهيز الصفيحة الأمامية. عند هذه النقطة، ابدأ في تجميع الصفيحتين الأمامية والوسطى عن طريق وضع الصفيحة الأمامية على سطح مستوٍ. ومع توجيه زنبرك الجلبة للأعلى، قم بمحاذاة العلامة الموجودة على الجزء العلوي من الصفيحتين الوسطى والأمامية، ثم ضع الصفيحة الوسطى فوق الصفيحة الأمامية.

تعامل الآن مع اللوحة الخلفية. خذ عمود المندريل واستخدم قوة موزعة بالتساوي لإدخاله في اللوحة الخلفية. يجب أن يستقر المندريل في موضعه بصوت "نقرة" وبحيث يثبت النافذة الكوارتزية والحلقات الدائرية O-rings المربعة في مكانهما.

ضع اللوحة الخلفية جانباً. تتمثل الخطوة التالية في رفع مجموعة اللوحة الأمامية والوسطى على منصة توفر مساحة خلوص كافية أسفل المجموعة. وبالنسبة للمغزل، قم بمحاذاة العلامة الموجودة في الجزء العلوي من مجموعة اللوحة الأمامية مع العلامة الموجودة في مجموعة اللوحة الخلفية، ثم أدخل الجزء الطويل من محور المغزل في مجموعة اللوحة الأمامية.

ستنزلق الخلية وتثبت بمكانها عند تجميعها بشكل صحيح. الآن، قم بربط مجموعة القطع معاً بنمط متقاطع (على شكل X) باستخدام مسامير الرأس السداسية الأربعة لكل من منافذ الوصول. قم بلف شريط إحكام التسريب حول الأسنان اللولبية ثم اربطها في الجزء العلوي من الصفيحة الوسطى.

أحكم الربط باستخدام مفتاح ربط. ضع قناع الكادميوم في فتحة الاستقبال المصنعة في مقدمة اللوحة الأمامية. وأخيرًا، استخدم الموصلات السريعة لربط خرطوم المبرد بين المنافذ العلوية في اللوحتين الأمامية والخلفية.

استمر في التحضير للتجربة عن طريق نقل الخلية إلى خط الحزمة لوضعها فيه. أولاً، قم بتغطية نافذة كاشف SANDS بالدرع الواقي، مع التأكد من تجهيز منصة بيئة العينة ومحاذاتها بشكل صحيح. حدد موقع دعامة تثبيت الخلية ووصلة العمود المتصلة بخط الأساس.

تأكد من أن براغي التثبيت الخاصة بموصل العمود مفكوكة. قم بمحاذاة موصل العمود وعمود المندريل بحيث يتم ربط براغي التثبيت الموجودة على الموصل في الجزء المسطح من عمود المندريل. أدخل خلية القص بعناية وبشكل أفقي في حامل تثبيت الخلية.

استخدم برغيين رأسياً سداسيين لتثبيت مجموعة خلية القص بالخلية. أحكم ربط دعامة التثبيت جيداً، مع التأكد دائماً من أن خلية القص محاذية تماماً لدعامة تثبيت الخلية.

قم بتوصيل عمود المندريل بمجموعة التشغيل عن طريق إحكام ربط مسماري التثبيت الموجودين على وصلة العمود. بعد تركيب الخلية وموازاتها ومعايرتها، تكون الخطوة التالية هي تحميل العينة. تأكد من أن صنابير الغلق في وضع الإغلاق.

يتم تحميل العينة مسبقاً في محقنة مسننة سعة 10 milliliter. تأكد من خلو العينة من الفقاعات. ضع محقنة فارغة بدون مكبس على الموصل الموجود في منتصف الخلية لجمع الفائض.

عندما يصبح كل شيء جاهزاً، افتح كلا الصمامين ببطء واحقن العينة حتى تبدأ في الدخول إلى المحقنة الفارغة. بمجرد الانتهاء من ذلك، أوقف تشغيل وحدة التحكم في المحرك للسماح بتحريك الحزام يدوياً. قم بعملية القص للعينة يدوياً للمساعدة في نقل الفقاعات إلى الجزء العلوي من خلية القص.

احقن عينة إضافية حسب الحاجة لطرد الفقاعات خارج فجوة خلية القص. وبعد إزالة الفقاعات الهوائية، أغلق الصمام القفل لإحكام غلق العينة داخل الخلية لإجراء تجارب قص بسيطة ومستقرة. ثم قم بإعداد تجارب تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة المطلوبة.

اضبط معدل القص المطلوب في ملف التحكم المرتبط ببرنامج التحكم في المحرك. حدد اتجاه القص للعينة. أثناء التجربة، ابدأ بتشغيل محرك خلية القص وتجربة تشتت النيوترونات. تحقق من عدد النبضات في الكاشف وراقب نمط تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة ثنائي الأبعاد.

يتم تسجيل نتائج معينة بشكل صحيح أثناء عملية القص. يظهر هنا نمط تشتت تم الحصول عليه تحت تدفق قص باستخدام خلية القص. العينة المدروسة هي محلول خلية من مادة مرنة لزجة تشبه الديدان من بروميد ثلاثي ميثيل الأمونيوم.

يحتوي المحلول على جزيئات برمائية ذاتية التجمع تشبه الخيوط الطويلة المتشابكة، وعند تعرض العينة للقص يظهر عليها سلوك ترقيق القص. كما تظهر هذه المحلولول بداية تشكل نطاقات القص عندما ينفصل مجال التدفق إلى نطاقين أو أكثر، يتميز كل منها بمعدل قص خاص في هندسة COE عند معدلات قص عالية بما يكفي. وتظهر هذه العينة نطاقين، أحدهما بمعدل قص أعلى من المتوقع والآخر بمعدل قص أقل من المتوقع.

يمكن استخدام جهاز خلية القص الجديد لدراسة الحالة البنيوية الدقيقة للمادة الخافضة للتوتر السطحي عند ملاحظة تشكل نطاقات القص. تُجرى قياسات منهجية في فجوة "كوكيت" (coquet) البالغ عرضها 1 mm باستخدام فتحة شق بقياس 0.1 mm عند معدلات قص مختلفة. تمثل حلقات الكثافة قمم ارتباط ناتجة عن التفاعلات بين القطع الجزيئية، ويشير تماثل الخواص في الحلقة إلى محاذاة التدفق القطاعي مع وجود محاذاة عالية نموذجية للطور النيماتي.

يُلاحظ وجود فرق كبير في تباين تشتت الخواص بين المواقع في نطاقات القص المنخفض ونطاقات القص العالي. وتمهد هذه التقنية الطريق للباحثين في مجالات الأشعة والمواد اللينة والديناميكا الحرارية غير المتوازنة لاستكشاف المواد الذكية وعلاقات البنية بالخصائص في السوائل المعقدة.