Межфазная реология

Межфазная реология — это раздел реологии , изучающий течение вещества на границе раздела газа и жидкости или на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей. Измерение проводится при наличии на границе раздела поверхностно-активных веществ, наночастиц или других поверхностно-активных соединений. В отличие от объемной реологии, деформация объемной фазы не представляет интереса для межфазной реологии, и ее влияние стремятся свести к минимуму. Вместо этого представляет интерес поток поверхностно-активных соединений.

Деформацию интерфейса можно осуществить либо путем изменения размера, либо формы интерфейса. Поэтому межфазные реологические методы можно разделить на две категории: методы дилатации и сдвиговой реологии.

Межфазная дилатационная реология

Метод пульсирующей капли для дилатационной межфазной реологии

В дилатационной межфазной реологии размер границы раздела меняется со временем. Во время этой деформации измеряется изменение поверхностного напряжения или поверхностного натяжения границы раздела. На основе ответа межфазная вязкоупругость рассчитывается в соответствии с хорошо зарекомендовавшими себя теориями: ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

$\left\vert E\right\vert ={d\gamma \over dlnA}=A{d\gamma \over dA}$

${\begin{aligned}E'&=\left\vert E\right\vert \cos \delta \end{aligned}}$

${\begin{aligned}E''&=\left\vert E\right\vert \sin \delta \end{aligned}}$

где

|Е| - комплексный модуль поверхностной дилатации
γ - поверхностное натяжение или межфазное натяжение границы раздела.
А - межфазная область
δ - разность фазовых углов между поверхностным натяжением и площадью.
E' ' — модуль упругости (накопления).
E' '' — модуль вязкости (потери).

Чаще всего измерение дилатационной межфазной реологии проводится с помощью оптического тензиометра, соединенного с модулем пульсирующей капли. синусоидально . Образуется подвесная капля с поверхностно-активными молекулами, которая пульсирует Изменения в межфазной области вызывают изменения в молекулярных взаимодействиях, которые затем меняют поверхностное натяжение. ^{[ 3 ]} Типичные измерения включают в себя сканирование частоты раствора для изучения кинетики поверхностно-активного вещества.

В другом методе измерения, особенно подходящем для нерастворимых поверхностно-активных веществ, желоб Ленгмюра используется в режиме колеблющегося барьера. В этом случае два барьера, ограничивающие межфазную поверхность, колеблются синусоидально и измеряется изменение поверхностного натяжения. ^{[ 4 ]}

Реология межфазного сдвига

В реологии межфазного сдвига площадь межфазной границы остается неизменной на протяжении всего измерения. Вместо этого межфазная область срезается, чтобы можно было измерить присутствующее поверхностное напряжение. Уравнения аналогичны дилатационной межфазной реологии, но модуль сдвига часто обозначается буквой G вместо E, как в дилатационных методах. В общем случае G и E не равны. ^{[ 5 ]}

Поскольку межфазные реологические свойства относительно слабы, это создает проблемы для измерительного оборудования. Для высокой чувствительности важно максимизировать вклад границы раздела и минимизировать вклад объемной фазы. Число Буссинеска Bo показывает, насколько чувствителен метод измерения для определения межфазной вязкоупругости. ^{[ 5 ]}

Коммерческие методы измерения реологии межфазного сдвига включают метод магнитной иглы, метод вращающегося кольца и метод вращающегося биконуса. ^{[ 6 ]} Метод магнитной иглы, разработанный Бруксом и др. ^{[ 7 ]}., имеет самое большое число Буссинеска среди коммерциализированных методов. В этом методе тонкая магнитная игла колеблется на границе раздела с помощью магнитного поля. Наблюдая за движением иглы с помощью камеры, можно обнаружить вязкоупругие свойства границы раздела. Этот метод часто используется в сочетании с желобом Ленгмюра , чтобы иметь возможность проводить эксперимент в зависимости от плотности упаковки молекул или частиц.

Приложения

Когда поверхностно-активные вещества присутствуют в жидкости, они имеют тенденцию адсорбироваться на границе раздела жидкость-воздух или жидкость-жидкость. Межфазная реология связана с реакцией адсорбированного межфазного слоя на деформацию. Реакция зависит от состава слоя, и поэтому межфазная реология актуальна во многих приложениях, в которых адсорбированный слой играет решающую роль, например, при разработке поверхностно-активных веществ , пен и эмульсий . многих биологических систем, таких как легочный сурфактант и мейбум, зависит от межфазной вязкоэластичности. Функциональность ^{[ 8 ]} Межфазная реология использовалась для понимания структурно-функциональной взаимосвязи этих физиологических интерфейсов, того, как отклонения в составе вызывают такие заболевания, как респираторный дистресс-синдром младенцев или синдром сухого глаза , а также помогла разработать такие методы лечения, как искусственная замена легочного сурфактанта и глазные капли . ^{[ 9 ]}

Межфазная реология позволяет изучать кинетику ПАВ , а вязкоупругие свойства адсорбированного межфазного слоя хорошо коррелируют со стабильностью эмульсии и пены . Поверхностно-активные вещества и поверхностно-активные полимеры используются для стабилизации эмульсий и пен в пищевой и косметической промышленности. Белки поверхностно активны и имеют тенденцию адсорбироваться на границе раздела, где они могут менять конформацию и влиять на межфазные свойства. ^{[ 10 ]} Природные поверхностно-активные вещества, такие как асфальтены и смолы, стабилизируют водонефтяные эмульсии при использовании сырой нефти, и, понимая их поведение, можно улучшить процесс разделения сырой нефти. Также может быть оптимизирована повышенная эффективность нефтеотдачи. ^{[ 11 ]}

Специализированные установки, которые позволяют осуществлять объемный обмен во время измерений межфазной реологии, используются для исследования реакции адсорбированных белков или поверхностно-активных веществ на изменения pH или солености . ^{[ 12 ]} Эти установки также можно использовать для имитации более сложных условий, таких как среда желудка, для исследования вытеснения in vitro или ферментативного гидролиза полимеров, адсорбированных на границах раздела масло-вода, чтобы понять, как соответствующие эмульсии перевариваются в желудке. ^{[ 13 ]}

Межфазная реология позволяет исследовать адсорбцию бактерий и образование биопленок на границах раздела жидкость-воздух или жидкость-жидкость. ^{[ 14 ]}

В пищевой науке межфазная реология использовалась для понимания стабильности эмульсий , таких как майонез . ^{[ 15 ]} стабильность эспрессо пены , ^{[ 16 ]} пленка образовалась на черном чае , ^{[ 17 ]} или образование чайного гриба биопленок . ^{[ 18 ]}

См. также

Ссылки

^ Миллер, Рейнхард. Лиджьери, Л. (Либеро) (2009). Межфазная реология . Брилл. ISBN 978-90-04-17586-0 . OCLC 907184149 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Миллер, Рейнхард; Ферри, Джеймс К.; Джавади, Алияр; Крегель, Юрген; Мучич, Ненад; Вюстнек, Райнер (01 мая 2010 г.). «Реология межфазных слоев». Коллоидная и полимерная наука . 288 (9): 937–950. дои : 10.1007/s00396-010-2227-5 . ISSN 0303-402X . S2CID 93640525 .
^ Рейн, Джаянт П.; Пошар, Винсент; Кузис, Александр; Банерджи, Санджой (16 апреля 2013 г.). «Межфазная реология асфальтенов на границе раздела нефть-вода и интерпретация уравнения состояния». Ленгмюр . 29 (15): 4750–4759. дои : 10.1021/la304873n . ISSN 0743-7463 . ПМИД 23506138 .
^ Быков А.Г.; Логлио, Г.; Миллер, Р.; Носков Б.А. (2015). «Дилационная поверхностная упругость монослоев заряженных нано- и микрочастиц полистирола на границе раздела жидкость/жидкость». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 485 : 42–48. doi : 10.1016/j.colsurfa.2015.09.004 . ISSN 0927-7757 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Крегель, Юрген; Деркач, Светлана Р. (2010). «Реология межфазного сдвига». Текущее мнение в области коллоидной и интерфейсной науки . 15 (4): 246–255. дои : 10.1016/j.cocis.2010.02.001 .
^ Ренггли, Д.; Алике, А.; Эволдт, Р.Х.; Вермант, Дж. (2020). «Рабочие окна для колебательной реологии межфазного сдвига» . Журнал реологии . 64 (1): 141–160. Бибкод : 2020JRheo..64..141R . дои : 10.1122/1.5130620 . hdl : 20.500.11850/389068 . ISSN 0148-6055 .
^ Брукс, Карлтон Ф.; Фуллер, Джеральд Г.; Фрэнк, Кертис В.; Робертсон, Ченнинг Р. (1999). «Реометр межфазного напряжения для изучения реологических переходов в монослоях на границе раздела воздух-вода». Ленгмюр . 15 (7): 2450–2459. дои : 10.1021/la980465r . ISSN 0743-7463 .
^ Лейске, Даниэль Л.; Лейске, Кристофер И.; Лейске, Дэниел Р.; Тони, Майкл Ф.; Сенчина, Мишель; Кетельсон, Ховард А.; Медоуз, Дэвид Л.; Фуллер, Джеральд Г. (2012). «Температурные переходы в структуре и межфазной реологии человеческого мейбума» . Биофизический журнал . 102 (2): 369–376. Бибкод : 2012BpJ...102..369L . дои : 10.1016/j.bpj.2011.12.017 . ПМК 3260664 . ПМИД 22339874 .
^ Берч, Паскаль; Бергфройнд, Йотам; Виндхаб, Эрих Дж.; Фишер, Питер (август 2021 г.). «Взаимодействие физиологических жидкостей: функциональное микроокружение, цели доставки лекарств и первая линия защиты» . Акта Биоматериалы . 130 : 32–53. doi : 10.1016/j.actbio.2021.05.051 . hdl : 20.500.11850/498803 . ISSN 1742-7061 . ПМИД 34077806 . S2CID 235323337 .
^ Бергфройнд, Джотам; Слуга, Майкл; Геу, Томас; Нуссбаум, Натали; Горе, Нико; Берч, Паскаль; Нистром, Густав; Фишер, Питер (2021). «Сборка глобулярных белков и формирование сети на границах раздела жидкостей: влияние масла» . Мягкая материя . 17 (6): 1692–1700. Бибкод : 2021SMat...17.1692B . дои : 10.1039/D0SM01870H . hdl : 20.500.11850/472320 . ПМИД 33393584 .
^ Айирала, Субхаш К.; Аль-Салех, Салах Х.; Аль-Юсеф, Али А. (2018). «Взаимодействие ионов воды в микроскопическом масштабе на границе раздела сырая нефть/вода и их влияние на мобилизацию нефти при расширенном заводнении». Журнал нефтяной науки и техники . 163 : 640–649. дои : 10.1016/j.petrol.2017.09.054 . ISSN 0920-4105 .
^ Рюс, Патрик А.; Шойбле, Натали; Виндхаб, Эрих Дж.; Мецценга, Рафаэле; Фишер, Питер (28 августа 2012 г.). «Одновременный контроль pH и ионной силы во время межфазной реологии фибрилл β-лактоглобулина, адсорбированных на границах раздела жидкость/жидкость» . Ленгмюр . 28 (34): 12536–12543. дои : 10.1021/la3026705 . ПМИД 22857147 .
^ Шойбле, Н.; Геу, Т.; Виндхаб, Э.Дж.; Фишер, П. (11 августа 2014 г.). «Индивидуальная межфазная реология для стабильных адсорбционных слоев желудка» . Биомакромолекулы . 15 (8): 3139–3145. дои : 10.1021/bm500767c . ПМИД 25029559 .
^ Ву, Синтия; Лим, Джи Юн; Фуллер, Джеральд Г.; Цегельски, Линетт (август 2012 г.). «Количественный анализ амилоид-интегрированных биопленок, образованных уропатогенными Escherichia coli на границе раздела воздух-жидкость» . Биофизический журнал . 103 (3): 464–471. Бибкод : 2012BpJ...103..464W . дои : 10.1016/j.bpj.2012.06.049 . ПМЦ 3414876 . ПМИД 22947862 .
^ Киосеоглу, В.Д.; Шерман, П. (июнь 1983 г.). «Влияние липопротеинов яичного желтка на реологию и стабильность эмульсий масло/вода и майонеза: 3. Вязкоупругие свойства пленок яичного желтка на границе раздела арахисового масла и воды» . Коллоидная и полимерная наука . 261 (6): 520–526. дои : 10.1007/BF01419836 . S2CID 101091369 .
^ Пьяцца, Л.; Джильи, Дж.; Бульбарелло, А. (февраль 2008 г.). «Исследование межфазной реологии структуры и свойств пены кофе эспрессо» . Журнал пищевой инженерии . 84 (3): 420–429. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2007.06.001 .
^ Джакомин, Кэролайн Э.; Фишер, Питер (сентябрь 2021 г.). «Реология межфазной поверхности черного чая и карбонат кальция» . Физика жидкостей . 33 (9): 092105. Бибкод : 2021PhFl...33i2105G . дои : 10.1063/5.0059760 . hdl : 20.500.11850/505412 . S2CID 239631952 .
^ Берч, Паскаль; Эттер, Данай; Фишер, Питер (2021). «Переходное измерение in situ роста биопленки чайного гриба и механических свойств» . Еда и функции . 12 (9): 4015–4020. дои : 10.1039/D1FO00630D . hdl : 20.500.11850/485857 . ПМИД 33978026 . S2CID 234169590 .

[1] Миллер, Рейнхард. Лиджьери, Л. (Либеро) (2009). Межфазная реология . Брилл. ISBN 978-90-04-17586-0 . OCLC 907184149 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[2] Миллер, Рейнхард; Ферри, Джеймс К.; Джавади, Алияр; Крегель, Юрген; Мучич, Ненад; Вюстнек, Райнер (01 мая 2010 г.). «Реология межфазных слоев». Коллоидная и полимерная наука . 288 (9): 937–950. дои : 10.1007/s00396-010-2227-5 . ISSN 0303-402X . S2CID 93640525 .

[3] Рейн, Джаянт П.; Пошар, Винсент; Кузис, Александр; Банерджи, Санджой (16 апреля 2013 г.). «Межфазная реология асфальтенов на границе раздела нефть-вода и интерпретация уравнения состояния». Ленгмюр . 29 (15): 4750–4759. дои : 10.1021/la304873n . ISSN 0743-7463 . ПМИД 23506138 .

[4] Быков А.Г.; Логлио, Г.; Миллер, Р.; Носков Б.А. (2015). «Дилационная поверхностная упругость монослоев заряженных нано- и микрочастиц полистирола на границе раздела жидкость/жидкость». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 485 : 42–48. doi : 10.1016/j.colsurfa.2015.09.004 . ISSN 0927-7757 .

[:0-5] Перейти обратно: ^а ^б Крегель, Юрген; Деркач, Светлана Р. (2010). «Реология межфазного сдвига». Текущее мнение в области коллоидной и интерфейсной науки . 15 (4): 246–255. дои : 10.1016/j.cocis.2010.02.001 .

[6] Ренггли, Д.; Алике, А.; Эволдт, Р.Х.; Вермант, Дж. (2020). «Рабочие окна для колебательной реологии межфазного сдвига» . Журнал реологии . 64 (1): 141–160. Бибкод : 2020JRheo..64..141R . дои : 10.1122/1.5130620 . hdl : 20.500.11850/389068 . ISSN 0148-6055 .

[7] Брукс, Карлтон Ф.; Фуллер, Джеральд Г.; Фрэнк, Кертис В.; Робертсон, Ченнинг Р. (1999). «Реометр межфазного напряжения для изучения реологических переходов в монослоях на границе раздела воздух-вода». Ленгмюр . 15 (7): 2450–2459. дои : 10.1021/la980465r . ISSN 0743-7463 .

[8] Лейске, Даниэль Л.; Лейске, Кристофер И.; Лейске, Дэниел Р.; Тони, Майкл Ф.; Сенчина, Мишель; Кетельсон, Ховард А.; Медоуз, Дэвид Л.; Фуллер, Джеральд Г. (2012). «Температурные переходы в структуре и межфазной реологии человеческого мейбума» . Биофизический журнал . 102 (2): 369–376. Бибкод : 2012BpJ...102..369L . дои : 10.1016/j.bpj.2011.12.017 . ПМК 3260664 . ПМИД 22339874 .

[9] Берч, Паскаль; Бергфройнд, Йотам; Виндхаб, Эрих Дж.; Фишер, Питер (август 2021 г.). «Взаимодействие физиологических жидкостей: функциональное микроокружение, цели доставки лекарств и первая линия защиты» . Акта Биоматериалы . 130 : 32–53. doi : 10.1016/j.actbio.2021.05.051 . hdl : 20.500.11850/498803 . ISSN 1742-7061 . ПМИД 34077806 . S2CID 235323337 .

[10] Бергфройнд, Джотам; Слуга, Майкл; Геу, Томас; Нуссбаум, Натали; Горе, Нико; Берч, Паскаль; Нистром, Густав; Фишер, Питер (2021). «Сборка глобулярных белков и формирование сети на границах раздела жидкостей: влияние масла» . Мягкая материя . 17 (6): 1692–1700. Бибкод : 2021SMat...17.1692B . дои : 10.1039/D0SM01870H . hdl : 20.500.11850/472320 . ПМИД 33393584 .

[11] Айирала, Субхаш К.; Аль-Салех, Салах Х.; Аль-Юсеф, Али А. (2018). «Взаимодействие ионов воды в микроскопическом масштабе на границе раздела сырая нефть/вода и их влияние на мобилизацию нефти при расширенном заводнении». Журнал нефтяной науки и техники . 163 : 640–649. дои : 10.1016/j.petrol.2017.09.054 . ISSN 0920-4105 .

[12] Рюс, Патрик А.; Шойбле, Натали; Виндхаб, Эрих Дж.; Мецценга, Рафаэле; Фишер, Питер (28 августа 2012 г.). «Одновременный контроль pH и ионной силы во время межфазной реологии фибрилл β-лактоглобулина, адсорбированных на границах раздела жидкость/жидкость» . Ленгмюр . 28 (34): 12536–12543. дои : 10.1021/la3026705 . ПМИД 22857147 .

[13] Шойбле, Н.; Геу, Т.; Виндхаб, Э.Дж.; Фишер, П. (11 августа 2014 г.). «Индивидуальная межфазная реология для стабильных адсорбционных слоев желудка» . Биомакромолекулы . 15 (8): 3139–3145. дои : 10.1021/bm500767c . ПМИД 25029559 .

[14] Ву, Синтия; Лим, Джи Юн; Фуллер, Джеральд Г.; Цегельски, Линетт (август 2012 г.). «Количественный анализ амилоид-интегрированных биопленок, образованных уропатогенными Escherichia coli на границе раздела воздух-жидкость» . Биофизический журнал . 103 (3): 464–471. Бибкод : 2012BpJ...103..464W . дои : 10.1016/j.bpj.2012.06.049 . ПМЦ 3414876 . ПМИД 22947862 .

[15] Киосеоглу, В.Д.; Шерман, П. (июнь 1983 г.). «Влияние липопротеинов яичного желтка на реологию и стабильность эмульсий масло/вода и майонеза: 3. Вязкоупругие свойства пленок яичного желтка на границе раздела арахисового масла и воды» . Коллоидная и полимерная наука . 261 (6): 520–526. дои : 10.1007/BF01419836 . S2CID 101091369 .

[16] Пьяцца, Л.; Джильи, Дж.; Бульбарелло, А. (февраль 2008 г.). «Исследование межфазной реологии структуры и свойств пены кофе эспрессо» . Журнал пищевой инженерии . 84 (3): 420–429. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2007.06.001 .

[17] Джакомин, Кэролайн Э.; Фишер, Питер (сентябрь 2021 г.). «Реология межфазной поверхности черного чая и карбонат кальция» . Физика жидкостей . 33 (9): 092105. Бибкод : 2021PhFl...33i2105G . дои : 10.1063/5.0059760 . hdl : 20.500.11850/505412 . S2CID 239631952 .

[18] Берч, Паскаль; Эттер, Данай; Фишер, Питер (2021). «Переходное измерение in situ роста биопленки чайного гриба и механических свойств» . Еда и функции . 12 (9): 4015–4020. дои : 10.1039/D1FO00630D . hdl : 20.500.11850/485857 . ПМИД 33978026 . S2CID 234169590 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]