Yielding and particle rearrangements in hard sphere glasses

Abstract

A very high concentration or volume fraction of colloidal hard spheres (_ >0:58) dispersed in a continuous medium, characterized by the long lived entropic caging of colloidal particles by its neighbours, is termed a colloidal glass. This is a metastable state where the inherent relaxation time of the system deviates to infinity and the study of such systems under flow has garnered immense attention. In this work, we employ rheology and BD simulations to probe the linear and non-linear viscoelastic properties at rest and under shear. We also perform rheological experiments to probe aging as well as non-linear transient behaviour of colloidal glasses. Orthogonal superposition rheometery is utilized to understand the effect of inter particle potential on steady shear of hard sphere and soft colloidal glasses. Furthermore, we verify the presence and investigate different types of glasses existing in asymmetric binary mixtures with the helpof BD simulations.

Ως κολλοειδής ύαλος χαρακτηρίζεται ένα πυκνό διάλυμα κολλοειδών σκληρών σφαιρών (κλάσμα όγκου φ>0.58) διασπαρμένων σε κάποιο διαλύτη, στο οποίο λόγω εντροπίας τα κολλοειδή σωματίδια εγκλωβίζονται από τα γειτονικά σωματίδια. Η μελέτη συστημάτων που βρίσκονται σε αυτή τη μετασταθή κατάσταση υπό συνθήκες ροής, όπου ο χρόνος χαλάρωσής τους τείνει το άπειρο, έχει προσελκύσει ιδιαίτερα το επιστημονικό ενδιαφέρον. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μέσω των τεχνικών ρεολογίας και BD προσομοιώσεων (Brownian Dynamics simulations) μελετώνται οι γραμμικές και ιξωδοελαστικές ιδιότητες κολλοειδών υάλων τόσο υπό συνθήκες ηρεμίας όσο και ροής. Πραγματοποιήθηκαν επίσης ρεολογικές μετρήσεις έτσι ώστε να μελετηθεί η επίδραση του χρόνου γήρανσης, καθώς και η συμπεριφορά κολλοειδών υάλων σε συνθήκες μη-γραμμικής μεταβατικής διάτμησης. Επιπρόσθετα, για την καλύτερη κατανόηση του δυναμικού αλληλεπίδρασης μεταξύ σωματιδίων υπό συνθήκες σταθερής διάτμησης κολλοειδών υάλων σκληρών σφαιρών και πιο μαλακών σωματιδίων, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της Ρεομετρικής Ορθογώνιας Υπέρθεσης (Orthogonal superposition rheometery). Τέλος, με τη βοήθεια προσομοιώσεων Brownian δυναμικής επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη διαφόρων τύπων κολλοειδών υάλων σε μίγματα δύο διαφορετικών μεγεθών σωματιδίων (ασύμμετρα μίγματα) που μελετήθηκαν λεπτομερώς.