RheoSANS דיאלקטרי - חקירת סימולטני של עכבה, Rheology וקטנים זווית ניוטרון פיזור של נוזלים מורכבים
10 באפריל 2017
כאן, אנו מציגים הליך לשקילת עכבה סימולטני, rheology ואת פיזור נייטרונים מחומרים משנה רך תחת זרם גזירה.
המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא למדוד בו-זמנית עכבה (impedance), רהאולוגיה ופיזור נייטרונים של תרחיף פחמן שחור (carbon black) מוליך בעודו עובר דפורמציה בתגובה לשדה גזירה המופעל עליו. שיטה זו יכולה לסייע במענה על שאלות מפתח בתחומי החומר הרך והחומרים היישומיים בנוגע לקשר המהותי בין המיקרו-מבנה של החומר לבין תכונות מאקרוסקופיות כגון מוליכות ורהאולוגיה. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שהמדידות מבוצעות בו-זמנית, מה שמאפשר לשחזר ולהשוות את כל התפתחות הזמן של התגובה המכנית, המבנית והחשמלית.
ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על פיתוחם של חומרים מוליכים מתקדמים ליישומים אלקטרוכימיים ואופטואלקטרוניים. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית בשל אופיו המורכב של הפרוטוקול הניסיוני. אנשי מקצוע מ-NIST יסייעו בכמה היבטים מרכזיים של הניסוי.
לפני תחילת הפרוצדורה, ודאו שגם קרן הנิวטרונים וגם הראומיטר כבויים, שהמתמר נעול ושנעילת מיסב המנוע מותקנת. נקו את מכל הדיאלקטרי ואת מכלולי ה-bob באמצעות תמיסת דטרגנט. שטפו היטב את המכלולים במים דאיוניים והניחו למכלולים להתייבש באוויר.
שחררו את המתמר והסירו את נעילת מיסב המנוע. לאחר מכן, הפעילו את הרהאומטר והפעילו את תוכנת הבקרה. הרכיבו את הגאומטריה הדיאלקטרית ואת מכלול ה-bob על תושבת הכלי התחתונה והעליונה של הרהאומטר, בהתאמה.
השתמש במפתח אלן של 3 מילימטר כדי לשחרר את ברגי הקיבוע של הגאומטריה הדיאלקטרית. הרכב את מכלול הכוס על הגאומטריה הדיאלקטרית. לאחר מכן, בתוכנת הבקרה של הראומיטר, אפס את המרווח והפעל כוח נורמלי של 10 newtons.
תחת דחיסה צירית זו, הדק את ברגי הקיבוע כדי להבטיח את חיבור מכל הגביע לגאומטריה. לאחר מכן, כוון את המרווח לרוחב מרווח המדידה. סגור את דלת התנור וודא שהתנור עוטף באופן מלא את מכל התא הדיאלקטרי.
עם מרווח אנכי מספיק מעל ומתחת לגיאומטריה כדי לאפשר סיבוב מלא ללא מגע עם דפנות התנור. פתחו את התנור והוציאו את מכלולי הדיאלקטריק. השחילו את ציר הגיאומטריה דרך טבעת ההחלקה וחברו את מחברי כוס הדיאלקטריק וטבעת ההחלקה.
תוך כדי החזקת טבעת ההחלקה, באופן קונצנטרי לציר מעל האוגן (flange), הדקו את מתאמי טבעת ההחלקה בחלקו העליון של האוגן. החליקו בעדינות את טבעת ההחלקה כלפי מטה כדי להתאימה למתאמים. לאחר מכן, התקינו את כלי הכיוונון של הראומיטר על ראש הכלי התחתון.
התקינו את ה-truncated snout והגדירו את מפתח הדגימה ל-1 mm על 8 mm. בתוכנת הבקרה של הרחאומטר, הגדירו את זווית ההעתקה של הגאומטריה ל-0.49 radians. לאחר מכן, בתוכנת הבקרה של ה-SANS, ודאו שכל מדריכי הנייטרונים הוסרו.
פתחו את דלת התנור כדי לצפות בלייזר ליישור הקרן. השתמשו בתוכנת ה-SANS כדי לכוונן את הגובה והזווית של במה הדגימה עד שקרן הלייזר תופנה לאורך קו המרכז של התנור ובתוך מפתח הדגימה ללא חיתוך של דפנות המפתח. לאחר יישור הראומיטר, הסירו את כלי היישור ובצעו סדרה של מדידות SANS כדי לכייל את המכשיר.
לאחר מכן, השתמש במסך ה-LCD של הראומיטר כדי להגדיר את המרווח ל-100 millimeters. התקן את התא הדיאלקטרי עם מכלול ה-bob על ראש הכלי העליון ואת גיאומטריית ה-cup ומכלול טבעת ההחלקה על ראש הכלי התחתון. השתמש בתוכנת המכשיר כדי לאפס את המרווח.
בשלב הבא, התקינו את מכלול מברשות הפחם על מתאם המברשות. יישרו את מברשות הפחם עם החריצים שבטבעת ההחלקה, ולאחר מכן הדקו את המתאם לרחאומטר באמצעות ברגים. חברו את מכלול מברשות הפחם לפס האספקה העליון ואת מכלול ה-dielectric bob לפס האספקה התחתון.
בדוק את חיבורי כבלי ה-BNC הממוגנרים לפסי הצבירה ולמד ה-LCR. חבר את כבלי ה-BNC של ה-SANS והטריגר לכרטיס ה-DAQ. חבר את הרחומטר לכרטיס ה-DAQ.
ודא שמד ה-LCR והריאומטר מתקשרים בהצלחה עם המחשב. לפני טעינת הדגימה, ודא שהמרווח מוגדר ל-100 millimeters. לאחר מכן, טען 4 millimeters של תמיסת פיזור של carbon black בתוך propylene carbonate אל מכל הדיאלקטריק, תוך מזעור כמות הדגימה שנותרה על דופן המכל.
הנמיקו את הגאומטריה ל-40 millimeter. לאחר מכן, בתוכנת הבקרה של הרהומטר, הגדירו את מהירות המנוע ל-one radian per second. הנמיקו את מכלול ה-dielectric bob כדי להשיג רוחב מרווח של 0.1 millimeters, ואז הגדירו את מהירות המנוע ל-zero radians per second.
יש לוודא שגובה הדגימה הגיע לדופן ה-Couette אך אינו מלא מדי. מלאו את מכלול ה-bob הדיאלקטרי הפנימי בממס שנבחר עבור הניסוי. הניחו את מלכוד הממס על שפת מכלול הכוס הדיאלקטרית.
בשלב הבא, הגדירו את קובץ המכשיר הווירטואלי עבור התנאים הניסיוניים הרצויים. קבעו את זמני ההרצה והפרוצדורות המתאימים עבור מכשיר ה-SANS והריאומטר. לחצו על parameters set כדי לבצע את הניסוי.
סספנזיה מוליכה של carbon black נבדקה באמצעות RheoSANS. ראולוגיה, נתונים דיאלקטריים ופיזור נייטרונים נמדדו באופן רציף בזמן שקצב הגזירה ירד לוגריתמית במדרגות, תוך המתנה בכל מדרגה לפרק זמן ספציפי. נתוני המצב היציב, הנתונים הראולוגיים, הדיאלקטריים ונתוני ה-SANS עובדו ונולאו בכל מדרגת קצב גזירה.
תקופה של ירידה במוליכות ובשבר הנפח האפקטיבי עם עליית קצב הגזירה יוחסה לכניעה (yielding) של הג'ל המיקרוסקופי. תקופה עוקבת של עלייה במוליכות וירידה בשבר הנפח האפקטיבי עם עליית קצב הגזירה יוחסה לסמיכות גזירה (shear thickening) הנגרמת מכוחות הידרודינמיים המקרבות חלקיקים מצומדים זה לזה. מעברים מבניים מיקרוסקופיים בקצבי גזירה גבוהים יותר הוצגו באמצעות גרפים דו-ממדיים.
Dielectric RheoSANS מספקת פלטפורמה גמישה המסוגלת לבחון התנהגות של מערכות חומר רך במצב שאינו שיווי משקל. באמצעות מגוון רחב של פרוטוקולים ניסיוניים פוטנציאליים, מכשיר זה זמין לשימוש נרחב של הקהילה המדעית ב-NCNR.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוצדורה למדידה סימולטנית של עכבה (אימפדנס), ראולוגיה ופיזור נייטרונים מתליה של פחמן שחור מוליך תחת זרימת גזירה. השיטה נועדה לבחון את הקשר בין המיקרו-מבנה של החומר לבין תכונותיו המקרוסקופיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- חומר רך
- חומרים יישומיים
- חומרים מוליכים
רקע
- הבנת הקשר בין המיקרו-מבנה לבין התכונות היא קריטית במדע החומרים.
- לתליות של פיח מוליך הן בעלות חשיבות ביישומים שונים.
- מדידות סימולטניות מספקות תובנות מקיפות לגבי התנהגות החומר.
- הדגמות חזותיות משפרות את ההבנה של פרוטוקולים ניסיוניים מורכבים.
מטרת המחקר
- למדידה סימולטנית של עכבה (impedance), רהאולוגיה ופיזור נייטרונים.
- לחקר השפעות זרימת גזירה על תכונות החומר.
- לפיתוח חומרים מוליכים מתקדמים ליישומים אלקטרוכימיים ואופטואלקטרוניים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- מדידה סימולטנית של עכבה (impedance), רהאולוגיה ופיזור נייטרונים.
- הפעלת זרימת גזירה על תרחיף הפיח (carbon black).
- שיתוף פעולה עם מומחים מ-NIST לתמיכה ניסויית.
- הדגמות ויזואליות לסיוע בהבנת הפרוטוקול הניסויי.
תוצאות עיקריות
- שחזור של התפתחות הזמן של תגובות מכניות, מבניות וחשמליות.
- תובנות לגבי הקשר המהותי בין המיקרו-מבנה למאפיינים מקרוסקופיים.
- התקדמויות פוטנציאליות בפיתוח חומרים מוליכים.
- הדגמה של יעילותן של טכניקות מדידה סימולטניות.
מסקנות
- הטכניקה מספקת תובנות בעלות ערך לגבי התנהגות של חומר רך.
- מדידות סימולטניות משפרות את ההבנה של תכונות החומר.
- לשיטה זו יש השלכות על מחקרים עתידיים במדע החומרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטת Dielectric RheoSANS מאפשרת מדידה סימולטנית של תכונות חשמליות, מכניות ומיקרו-מבניות של נוזלים מורכבים תחת דפורמציה, ובכך מספקת קישור ישיר בין המיקרו-מבנה להתנהגות המקרוסקופית. יכולת זו תומכת בהפחתת סיכונים מנגנוניים בפיתוח של חומרים מוליכים מתקדמים ליישומים אלקטרוכימיים ואופטואלקטרוניים, על ידי חשיפת האופן שבו שינויים מבניים המושרים על ידי גזירה משפיעים על המוליכות ועל הראולוגיה. השיטה מגבירה את רמת הביטחון בחיזוי בשלבים מוקדמים של סריקת חומרים, באמצעות לכידה של תגובות רב-פרמטריות ברזולוציית זמן, המנחות החלטות של המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go) בתהליכי פיתוח פורמולציות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: בוחן כיצד מעברים מיקרו-מבניים במערכות חומר רך משפיעים על פלטים חשמליים ומכניים תחת דפורמציה מבוקרת.
- ערך תפעולי: מאפשר בדיקת היפותזות של קשרי מבנה-תכונה בתליות קולואידיות הרלוונטיות להולכת תרופות ולתכנון ביו-חומרים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מספק קריאות כמותיות מסונכרנות בזמן של עכבה (impedance), צמיגות וננו-מבנה על פני קצבי גזירה לצורך סטנדרטיזציה של הבדיקה.
- ערך תפעולי: תומך בסריקה ניתנת לשחזור של פורמולציות מוליכות או תגובתיות תחת תנאי זרימה מוגדרים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקשר בין דינמיקת אגרגציה בקנה מידה ננומטרי לבין ביצועי חומר במצב צבירה (bulk), ובכך מספק תובנות לאסטרטגיות של ביומרקרים תרגומיים למערכות רספונסיביות.
- ערך תפעולי: מאפשר רציפות משלב הגילוי ועד להערכה פרה-קלינית על ידי אפשור פרופיל רב-פרמטרי עקבי של התנהגות החומר.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד (Pipeline)
Dielectric RheoSANS משתלב ברצף הגילוי על ידי מתן אפשרות לבחינה של השערות בשלבים מוקדמים במערכות של חומר רך, תמיכה בזיהוי מובילים באמצעות קורלציה בין תכונה לתפקוד, והנחיית עבודות פרה-קליניות באמצעות מידול חזוי של חומרים המגיבים לעיוות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בחקירה מכניסטית של האופן שבו שינויים מיקרו-מבניים בג'לים קולואידיים משפיעים על תפוקות פונקציונליות כגון מוליכות תחת גזירה.
- סריקה: מספק נתונים רהאו-חשמליים ומיקרו-מבניים מסונכרנים כדי לאפשר השוואה מהימנה של יציבות ותגובתיות של פורמולציות.
- אנליטיקה: מייצר מערכי נתונים רב-ממדיים (ספקטרום עכבה, צמיגות, תבניות פיזור) המאפשרים השוואה בין תנאים שונים וניתוח מגמות.
- מחקר תרגומי: מקשר בין התפתחות מיקרו-מבנית לביצועים מאקרוסקופיים, ובכך תומך בקידום מותאם-סיכונים של מועמדים לחומרים המגיבים לגירויים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע פלטפורמה ניתנת להגדרה מחדש להערכה סטנדרטית של נוזלים מורכבים לאורך פרויקטים שונים, ובכך מפחית פיתוח שיטות כפול.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית על ידי ביצוע קורלציה בין ארגון מחדש בקנה מידה ננומטרי לבין שינויים מקבילים בעכבה ובהתנהגות הזרימה.
- ערך תפעולי: מבטיח שחזוריות באמצעות רכישת נתונים חשמליים, ראולוגיים ומבניים מסונכרנת המונחית על ידי פרוטוקול.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של go/no-go על ידי חשיפת תגובות לא-ליניאריות התלויות בסף, המצביעות על מגבלות ביצועים או על מצבי כשל.
- השפעה על פורטפוליו: מאפשר תעדוף של מועמדי חומרים מותאם לסיכון, על בסיס פרופילים של יציבות-דפורמציה תחת תנאים רלוונטיים פיזיולוגית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בראולוגיה, ספקטרוסקופיה דיאלקטרית וטכניקות של פיזור נייטרונים.
- תלוי בגישה לקווי הקרן של מרכז המחקר בנייטרונים של NIST ובגיאומטריית קואט (Couette) ייעודית.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית עבור הכנת דגימות, ביצוע הפרוטוקול וסנכרון נתונים.
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבה למערכות ביולוגיות או מערכות מבוססות הידרוג'ל, בשל שקיפות לנייטרונים ותאימות ממסים.
- מגבלות מעשיות כוללות אילוצים בנפח הדגימה והצורך בניקוי קפדני למניעת זיהום צולב בסביבות רב-משתמשיות.
