Reologia międzyfazowa

Reologia międzyfazowa to gałąź reologii , która bada przepływ materii na granicy faz między gazem a cieczą lub na granicy faz między dwiema niemieszającymi się cieczami. Pomiar jest wykonywany przy obecności środków powierzchniowo czynnych, nanocząstek lub innych związków powierzchniowo czynnych na granicy faz. W przeciwieństwie do reologii w masie, deformacja fazy w masie nie jest przedmiotem zainteresowania w reologii międzyfazowej, a jej efekt ma być zminimalizowany. Zamiast tego interesujący jest przepływ związków powierzchniowo czynnych.

Odkształcenie interfejsu można wykonać poprzez zmianę rozmiaru lub kształtu interfejsu. Dlatego metody reologii międzyfazowej można podzielić na dwie kategorie: metody reologii dylatacyjnej i ścinania.

Międzyfazowa reologia dylatacyjna

Metoda pulsującej kropli dla dylatacyjnej reologii międzyfazowej

W dylatacyjnej reologii międzyfazowej wielkość granicy faz zmienia się w czasie. Podczas tego odkształcenia mierzona jest zmiana naprężenia powierzchniowego lub napięcia powierzchniowego interfejsu. Na podstawie odpowiedzi obliczana jest lepkosprężystość międzyfazowa zgodnie z dobrze ugruntowanymi teoriami:

${\ Displaystyle \ lewo \ vert E \ prawo \ vert = {d \ gamma \ nad dlnA} = A {d \ gamma \ nad dA}$

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} E '& = \ lewo \ vert E \ prawo \ vert \ cos \ delta \ koniec {wyrównane}}}$

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} E '' i = \ lewo \ vert E \ prawo \ vert \ sin \ delta \ koniec {wyrównane}}}$

Gdzie

|E| jest złożonym powierzchniowym modułem dylatacyjnym
γ to napięcie powierzchniowe lub napięcie międzyfazowe interfejsu
A jest obszarem międzyfazowym
δ to różnica kąta fazowego między napięciem powierzchniowym a powierzchnią
E' ' to moduł sprężystości (schowania).
E' '' to moduł lepkości (stratności).

Najczęściej pomiar reologii międzyfazowej dylatacji przeprowadza się za pomocą tensjometru optycznego połączonego z modułem pulsującej kropli. Wisząca kropla z cząsteczkami powierzchniowo czynnymi jest formowana i pulsuje sinusoidalnie. Zmiany w obszarze międzyfazowym powodują zmiany oddziaływań molekularnych, które następnie zmieniają napięcie powierzchniowe. Typowe pomiary obejmują przemiatanie częstotliwości roztworu w celu zbadania kinetyki środka powierzchniowo czynnego.

W innej metodzie pomiaru, odpowiedniej zwłaszcza dla nierozpuszczalnych środków powierzchniowo czynnych, stosuje się rynnę Langmuira w trybie oscylacyjnej bariery. W tym przypadku dwie bariery ograniczające obszar międzyfazowy są oscylowane sinusoidalnie i mierzona jest zmiana napięcia powierzchniowego.

Reologia ścinania międzyfazowego

Reologia ścinania międzyfazowego metodą igłową

W reologii ścinania międzyfazowego powierzchnia międzyfazowa pozostaje taka sama podczas całego pomiaru. Zamiast tego obszar międzyfazowy jest ścinany, aby móc zmierzyć obecne naprężenie powierzchniowe. Równania są podobne do dylatacyjnej reologii międzyfazowej, ale moduł ścinania jest często oznaczany G zamiast E, jak w metodach dylatacyjnych. W ogólnym przypadku G i E nie są równe.

Ponieważ właściwości reologiczne międzyfazowe są stosunkowo słabe, stwarza to wyzwania dla sprzętu pomiarowego. Aby uzyskać wysoką czułość, niezbędne jest zmaksymalizowanie udziału interfejsu przy jednoczesnym zminimalizowaniu udziału fazy masowej. Liczba Boussinesqa, Bo, opisuje, jak czuła jest metoda pomiarowa do wykrywania lepkosprężystości międzyfazowej.

Komercyjne techniki pomiarowe reologii ścinania międzyfazowego obejmują metodę igły magnetycznej, metodę obracającego się pierścienia i metodę obracającego się bicone. Metoda igły magnetycznej, opracowana przez Brooksa i in., ma najwyższą liczbę Boussinesqa spośród metod skomercjalizowanych. W tej metodzie cienka igła magnetyczna jest oscylowana na granicy faz za pomocą pola magnetycznego. Śledząc ruch igły za pomocą kamery, można wykryć właściwości lepkosprężyste interfejsu. Ta metoda jest często stosowana w połączeniu z rynną Langmuira , aby móc przeprowadzić eksperyment w funkcji gęstości upakowania cząsteczek lub cząstek.

Aplikacje

Gdy środki powierzchniowo czynne są obecne w cieczy, mają tendencję do adsorpcji na granicy faz ciecz-powietrze lub ciecz-ciecz. Reologia międzyfazowa zajmuje się reakcją zaadsorbowanej warstwy międzyfazowej na odkształcenie. Odpowiedź zależy od składu warstwy, a zatem reologia międzyfazowa jest istotna w wielu zastosowaniach, w których warstwa adsorbowana odgrywa kluczową rolę, na przykład w opracowywaniu środków powierzchniowo czynnych , pianek i emulsji . Wiele systemów biologicznych, takich jak płucny środek powierzchniowo czynny i meibum ich funkcjonalność zależy od lepkosprężystości międzyfazowej. Reologia międzyfazowa została wykorzystana do zrozumienia zależności struktura-funkcja tych interfejsów fizjologicznych, w jaki sposób odchylenia w składzie powodują choroby, takie jak zespół niewydolności oddechowej niemowląt lub zespół suchego oka , i pomogła w opracowaniu terapii, takich jak sztuczne płucne zamienniki środków powierzchniowo czynnych i krople do oczu .

Reologia międzyfazowa umożliwia badanie kinetyki surfaktantu , a właściwości lepkosprężyste zaadsorbowanej warstwy międzyfazowej dobrze korelują z emulsją i pianką stabilność. Stosowane surfaktanty i polimery powierzchniowo czynne służą do stabilizacji emulsji i pian w przemyśle spożywczym i kosmetycznym. Białka są powierzchniowo czynne i mają tendencję do adsorpcji na granicy faz, gdzie mogą zmieniać konformację i wpływać na właściwości międzyfazowe. Naturalne środki powierzchniowo czynne, takie jak asfalteny i żywice, stabilizują emulsje wodno-olejowe w zastosowaniach związanych z ropą naftową, a poznanie ich zachowania umożliwia usprawnienie procesu separacji ropy naftowej. Można również zoptymalizować zwiększoną wydajność odzyskiwania oleju.

Specjalistyczne konfiguracje, które umożliwiają wymianę masy podczas pomiarów reologii międzyfazowej, są wykorzystywane do badania odpowiedzi zaadsorbowanych białek lub środków powierzchniowo czynnych na zmiany pH lub zasolenia . Te konfiguracje można również wykorzystać do naśladowania bardziej złożonych warunków, takich jak środowisko żołądkowe, w celu zbadania in vitro lub hydrolizy enzymatycznej polimerów zaadsorbowanych na granicy faz olej-woda, aby zrozumieć, w jaki sposób odpowiednia emulsja jest trawiona w żołądku.

Reologia międzyfazowa umożliwia badanie adsorpcji bakterii i tworzenia biofilmu na granicy faz ciecz-powietrze lub ciecz-ciecz.

W naukach o żywności reologia międzyfazowa została wykorzystana do zrozumienia stabilności emulsji , takich jak majonez , stabilności pianki espresso , filmu utworzonego na czarnej herbacie lub tworzenia się biofilmów kombuchy .

Zobacz też

Bibliografia _ Liggieri, L. (Libero) (2009). Reologia międzyfazowa . Skarp. ISBN 978-90-04-17586-0 . OCLC 907184149 . {{ cite book }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
^ Miller, Reinhard; Ferri, James K.; Javadi, Aliyar; Krägel, Jürgen; Śluz, Nenad; Wüstneck, Rainer (2010-05-01). „Reologia warstw międzyfazowych”. Nauka o koloidach i polimerach . 288 (9): 937–950. doi : 10.1007/s00396-010-2227-5 . ISSN 0303-402X . S2CID 93640525 .
^ Rane, Jayant P.; Pauchard, Wincenty; Couzis, Aleksander; Banerjee, Sanjoy (2013-04-16). „Reologia międzyfazowa asfaltenów na granicy faz olej-woda i interpretacja równania stanu”. Langmuira . 29 (15): 4750–4759. doi : 10.1021/la304873n . ISSN 0743-7463 . PMID 23506138 .
^ Bykow, AG; Loglio, G.; Miller, R.; Noskow, BA (2015). „Dylacyjna elastyczność powierzchniowa monowarstw naładowanych nano- i mikrocząstek polistyrenu na granicy faz ciecz/ciecz”. Koloidy i powierzchnie A: Aspekty fizykochemiczne i inżynierskie . 485 : 42–48. doi : 10.1016/j.colsurfa.2015.09.004 . ISSN 0927-7757 .
^ ^ab ^Krägel , Jürgen; Derkacz, Swietłana R. (2010). „Reologia ścinania międzyfazowego”. Aktualna opinia w dziedzinie nauki o koloidach i interfejsach . 15 (4): 246–255. doi : 10.1016/j.cocis.2010.02.001 .
Bibliografia _ Alickie, A.; Ewoldt, RH; Vermant, J. (2020). „Okna operacyjne dla oscylacyjnej reologii ścinania międzyfazowego” . Dziennik reologii . 64 (1): 141–160. Bibcode : 2020JRheo..64..141R . doi : 10.1122/1.5130620 . ISSN 0148-6055 .
^ Brooks, Carlton F.; Fuller, Gerald G.; Frank, Curtis W.; Robertson, Channing R. (1999). „Reometr naprężeń międzyfazowych do badania przejść reologicznych w monowarstwach na granicy faz powietrze-woda”. Langmuira . 15 (7): 2450–2459. doi : 10.1021/la980465r . ISSN 0743-7463 .
^ Leiske, Danielle L.; Leiske, Christopher I.; Leiske, Daniel R.; Toney, Michael F.; Senczyna, Michelle; Ketelson, Howard A.; Łąki, David L.; Fuller, Gerald G. (2012). „Przejścia wywołane temperaturą w strukturze i reologii międzyfazowej ludzkiego Meibum” . Dziennik biofizyczny . 102 (2): 369–376. Bibcode : 2012BpJ...102..369L . doi : 10.1016/j.bpj.2011.12.017 . PMC 3260664 . PMID 22339874 .
^ Bertsch, Pascal; Bergfreund, Jotam; Windhab, Erich J.; Fischer, Peter (sierpień 2021). „Fizjologiczne interfejsy płynów: funkcjonalne mikrośrodowiska, cele dostarczania leków i pierwsza linia obrony” . Acta Biomaterialia . 130 : 32–53. doi : 10.1016/j.actbio.2021.05.051 . ISSN 1742-7061 . PMID 34077806 . S2CID 235323337 .
^ Bergfreund, Jotam; Diener, Michał; Geue, Thomas; Nussbaum, Natalie; Kummer, Nico; Bertsch, Pascal; Nyström, Gustav; Fischer, Piotr (2021). „Globularny montaż białek i tworzenie sieci na powierzchniach międzyfazowych płynów: wpływ oleju” . Miękka materia . 17 (6): 1692–1700. Bibcode : 2021SMat...17.1692B . doi : 10.1039/D0SM01870H . PMID 33393584 .
^ Ayirala, Subhash C.; Al-Saleh, Salah H.; Al-Yousef, Ali A. (2018). „Interakcje jonów wody w skali mikroskopowej na granicy faz ropa naftowa/woda i ich wpływ na mobilizację ropy w zaawansowanym zalewaniu wodą”. Journal of Petroleum Science and Engineering . 163 : 640–649. doi : 10.1016/j.petrol.2017.09.054 . ISSN 0920-4105 .
^ Rühs, Patrick A.; Scheuble, Nathalie; Windhab, Erich J.; Mezzenga, Raffaele; Fischer, Peter (28 sierpnia 2012). „Jednoczesna kontrola pH i siły jonowej podczas reologii międzyfazowej fibryli β-laktoglobuliny zaadsorbowanych na powierzchniach międzyfazowych ciecz/ciecz” . Langmuira . 28 (34): 12536–12543. doi : 10.1021/la3026705 . PMID 22857147 .
^ Scheuble, N.; Geue, T.; Windhab, EJ; Fischer, P. (11 sierpnia 2014). „Dostosowana reologia międzyfazowa dla stabilnych warstw adsorpcyjnych w żołądku” . Biomakromolekuły . 15 (8): 3139–3145. doi : 10.1021/bm500767c . PMID 25029559 .
^ Wu, Cynthia; Lim, Ji Youn; Fuller, Gerald G.; Cegelski, Lynette (sierpień 2012). „Analiza ilościowa biofilmów zintegrowanych z amyloidem utworzonych przez uropatogenne bakterie Escherichia coli na granicy faz powietrze-ciecz” . Dziennik biofizyczny . 103 (3): 464–471. Bibcode : 2012BpJ...103..464W . doi : 10.1016/j.bpj.2012.06.049 . PMC 3414876 . PMID 22947862 .
Bibliografia _ Sherman, P. (czerwiec 1983). „Wpływ lipoprotein żółtka jaja na reologię i stabilność emulsji O/W i majonezu: 3. Właściwości lepkosprężyste błony żółtka jaja na granicy faz olej z orzeszków ziemnych-woda” . Nauka o koloidach i polimerach . 261 (6): 520–526. doi : 10.1007/BF01419836 . S2CID 101091369 .
^ Piazza, L .; Gigli, J.; Bulbarello, A. (luty 2008). „Badanie reologii międzyfazowej struktury i właściwości pianki kawy espresso” . Dziennik Inżynierii Żywności . 84 (3): 420–429. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2007.06.001 .
^ Giacomin, Caroline E.; Fischer, Peter (wrzesień 2021). „Reologia międzyfazowa czarnej herbaty i węglan wapnia” . Fizyka płynów . 33 (9): 092105. Bibcode : 2021PhFl...33i2105G . doi : 10.1063/5.0059760 . S2CID 239631952 .
^ Bertsch, Pascal; Etter, Danai; Fischer, Piotr (2021). „Przejściowy pomiar in situ wzrostu biofilmu kombuchy i właściwości mechanicznych” . Jedzenie i funkcja . 12 (9): 4015–4020. doi : 10.1039/D1FO00630D . PMID 33978026 . S2CID 234169590 .

[1] Bibliografia _ Liggieri, L. (Libero) (2009). Reologia międzyfazowa . Skarp. ISBN 978-90-04-17586-0 . OCLC 907184149 . {{ cite book }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )

[2] Miller, Reinhard; Ferri, James K.; Javadi, Aliyar; Krägel, Jürgen; Śluz, Nenad; Wüstneck, Rainer (2010-05-01). „Reologia warstw międzyfazowych”. Nauka o koloidach i polimerach . 288 (9): 937–950. doi : 10.1007/s00396-010-2227-5 . ISSN 0303-402X . S2CID 93640525 .

[3] Rane, Jayant P.; Pauchard, Wincenty; Couzis, Aleksander; Banerjee, Sanjoy (2013-04-16). „Reologia międzyfazowa asfaltenów na granicy faz olej-woda i interpretacja równania stanu”. Langmuira . 29 (15): 4750–4759. doi : 10.1021/la304873n . ISSN 0743-7463 . PMID 23506138 .

[4] Bykow, AG; Loglio, G.; Miller, R.; Noskow, BA (2015). „Dylacyjna elastyczność powierzchniowa monowarstw naładowanych nano- i mikrocząstek polistyrenu na granicy faz ciecz/ciecz”. Koloidy i powierzchnie A: Aspekty fizykochemiczne i inżynierskie . 485 : 42–48. doi : 10.1016/j.colsurfa.2015.09.004 . ISSN 0927-7757 .

[:0-5] Krägel , Jürgen; Derkacz, Swietłana R. (2010). „Reologia ścinania międzyfazowego”. Aktualna opinia w dziedzinie nauki o koloidach i interfejsach . 15 (4): 246–255. doi : 10.1016/j.cocis.2010.02.001 .

[6] Bibliografia _ Alickie, A.; Ewoldt, RH; Vermant, J. (2020). „Okna operacyjne dla oscylacyjnej reologii ścinania międzyfazowego” . Dziennik reologii . 64 (1): 141–160. Bibcode : 2020JRheo..64..141R . doi : 10.1122/1.5130620 . ISSN 0148-6055 .

[7] Brooks, Carlton F.; Fuller, Gerald G.; Frank, Curtis W.; Robertson, Channing R. (1999). „Reometr naprężeń międzyfazowych do badania przejść reologicznych w monowarstwach na granicy faz powietrze-woda”. Langmuira . 15 (7): 2450–2459. doi : 10.1021/la980465r . ISSN 0743-7463 .

[8] Leiske, Danielle L.; Leiske, Christopher I.; Leiske, Daniel R.; Toney, Michael F.; Senczyna, Michelle; Ketelson, Howard A.; Łąki, David L.; Fuller, Gerald G. (2012). „Przejścia wywołane temperaturą w strukturze i reologii międzyfazowej ludzkiego Meibum” . Dziennik biofizyczny . 102 (2): 369–376. Bibcode : 2012BpJ...102..369L . doi : 10.1016/j.bpj.2011.12.017 . PMC 3260664 . PMID 22339874 .

[9] Bertsch, Pascal; Bergfreund, Jotam; Windhab, Erich J.; Fischer, Peter (sierpień 2021). „Fizjologiczne interfejsy płynów: funkcjonalne mikrośrodowiska, cele dostarczania leków i pierwsza linia obrony” . Acta Biomaterialia . 130 : 32–53. doi : 10.1016/j.actbio.2021.05.051 . ISSN 1742-7061 . PMID 34077806 . S2CID 235323337 .

[10] Bergfreund, Jotam; Diener, Michał; Geue, Thomas; Nussbaum, Natalie; Kummer, Nico; Bertsch, Pascal; Nyström, Gustav; Fischer, Piotr (2021). „Globularny montaż białek i tworzenie sieci na powierzchniach międzyfazowych płynów: wpływ oleju” . Miękka materia . 17 (6): 1692–1700. Bibcode : 2021SMat...17.1692B . doi : 10.1039/D0SM01870H . PMID 33393584 .

[11] Ayirala, Subhash C.; Al-Saleh, Salah H.; Al-Yousef, Ali A. (2018). „Interakcje jonów wody w skali mikroskopowej na granicy faz ropa naftowa/woda i ich wpływ na mobilizację ropy w zaawansowanym zalewaniu wodą”. Journal of Petroleum Science and Engineering . 163 : 640–649. doi : 10.1016/j.petrol.2017.09.054 . ISSN 0920-4105 .

[12] Rühs, Patrick A.; Scheuble, Nathalie; Windhab, Erich J.; Mezzenga, Raffaele; Fischer, Peter (28 sierpnia 2012). „Jednoczesna kontrola pH i siły jonowej podczas reologii międzyfazowej fibryli β-laktoglobuliny zaadsorbowanych na powierzchniach międzyfazowych ciecz/ciecz” . Langmuira . 28 (34): 12536–12543. doi : 10.1021/la3026705 . PMID 22857147 .

[13] Scheuble, N.; Geue, T.; Windhab, EJ; Fischer, P. (11 sierpnia 2014). „Dostosowana reologia międzyfazowa dla stabilnych warstw adsorpcyjnych w żołądku” . Biomakromolekuły . 15 (8): 3139–3145. doi : 10.1021/bm500767c . PMID 25029559 .

[14] Wu, Cynthia; Lim, Ji Youn; Fuller, Gerald G.; Cegelski, Lynette (sierpień 2012). „Analiza ilościowa biofilmów zintegrowanych z amyloidem utworzonych przez uropatogenne bakterie Escherichia coli na granicy faz powietrze-ciecz” . Dziennik biofizyczny . 103 (3): 464–471. Bibcode : 2012BpJ...103..464W . doi : 10.1016/j.bpj.2012.06.049 . PMC 3414876 . PMID 22947862 .

[15] Bibliografia _ Sherman, P. (czerwiec 1983). „Wpływ lipoprotein żółtka jaja na reologię i stabilność emulsji O/W i majonezu: 3. Właściwości lepkosprężyste błony żółtka jaja na granicy faz olej z orzeszków ziemnych-woda” . Nauka o koloidach i polimerach . 261 (6): 520–526. doi : 10.1007/BF01419836 . S2CID 101091369 .

[16] Piazza, L .; Gigli, J.; Bulbarello, A. (luty 2008). „Badanie reologii międzyfazowej struktury i właściwości pianki kawy espresso” . Dziennik Inżynierii Żywności . 84 (3): 420–429. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2007.06.001 .

[17] Giacomin, Caroline E.; Fischer, Peter (wrzesień 2021). „Reologia międzyfazowa czarnej herbaty i węglan wapnia” . Fizyka płynów . 33 (9): 092105. Bibcode : 2021PhFl...33i2105G . doi : 10.1063/5.0059760 . S2CID 239631952 .

[18] Bertsch, Pascal; Etter, Danai; Fischer, Piotr (2021). „Przejściowy pomiar in situ wzrostu biofilmu kombuchy i właściwości mechanicznych” . Jedzenie i funkcja . 12 (9): 4015–4020. doi : 10.1039/D1FO00630D . PMID 33978026 . S2CID 234169590 .