Joanne Verweij

In dit proefschrift bestuderen we de structuur-functie relatie van colloïdale gels, een klasse van zachte materialen. We combineren simulaties en experimenten om inzicht te krijgen in de microstructurele respons van colloïdale gels in de aan- of afwezigheid van externe spanning. In het bijzonder bekijken we processen zoals vermoeidheid, afschuiving en gravitationele ineenstorting en bestuderen we hoe vervorming of zwaartekracht de microstructuur en netwerktopologie van deze deeltjesgels beïnvloeden. We maken gebruik van een recent ontwikkeld deeltjessysteem, waarvan de brekingsindex en dichtheid kunnen worden afgestemd met behulp van niet-gevaarlijke polaire oplosmiddelen, om grote volumes colloïdale gels in beeld te brengen. Deze confocale microscopiegegevens stellen ons in staat om de netwerktopologie van deze deeltjesgels te bepalen met behulp van een topologie-mappingalgoritme dat in dit proefschrift wordt beschreven. Tegelijkertijd voeren we simulaties uit om een beter begrip te krijgen van veranderingen in de netwerktopologie van colloïdale gels tijdens vervorming.

In Hoofdstuk 2 bestuderen we vermoeidheid in colloïdale gels door experimenten en computersimulaties te combineren. Herhaalde belasting van een zachte vaste stof leidt tot microstructurele schade die uiteindelijk resulteert in catastrofaal falen van het materiaal. Hoewel vermoeidheid een bedreiging vormt voor de stabiliteit van vrijwel alle materialen, blijven de microscopische oorzaken van vermoeidheid, vooral voor zachte vaste stoffen, ongrijpbaar. Onze resultaten laten zien hoe mechanische belasting leidt tot onomkeerbare rek van strengen, wat speling in het netwerk opbouwt die de vaste stof verzacht bij kleine vervormingen en rekverharding veroorzaakt bij grotere vervormingen. We ontdekken dus dat microscopische plasticiteit vermoeidheid op veel grotere schaal beheerst. Dit geeft een nieuw beeld van vermoeidheid in zachte thermische vaste stoffen en vraagt om nieuwe theoretische beschrijvingen van de mechanica van zachte gels waarin rekening wordt gehouden met lokale plasticiteit.

Om de rol van plastische vervorming voorafgaand aan het falen van gelstrengen verder te onderzoeken, analyseren we in Hoofdstuk 3 of plasticiteit algemeen aanwezig is in gelstrengen van verschillende dikte en lengte. Onze simulaties laten zien dat herschikkingen van deeltjes binnen de strengen leiden tot plastische verlenging en verzachting, wat uiteindelijk kan leiden tot insnoering van de strengen en ductiel falen. Dit faalmechanisme treedt op ongeacht de dikte en lengte van de strengen en de reikwijdte en sterkte van de interactiepotentiaal. Hierbij wordt waargenomen dat breuk waarschijnlijker is voor lange en dunne strengen en wanneer de breedte van de interactieput toeneemt.

In het volgende hoofdstuk, Hoofdstuk 4, verleggen we onze focus van afzonderlijke gelstrengen naar de volledige netwerkstructuur van colloïdale gels, aangezien de mechanica van zachte colloïdale gels wordt bepaald door de netwerktopologie van het onderliggende stijve netwerk. Het is echter zeer uitdagend om deze heterogene structuur te kwantificeren. In dit hoofdstuk beschrijven we een algoritme dat een colloïdale gel reduceert tot een netwerk bestaande uit knooppunten en strengen, waardoor we de volledige topologie van de gel in kaart kunnen brengen – zowel in experimenten als in simulaties. Colloïdale gels worden gekwantificeerd op basis van het aantal en de coördinatie van knooppunten en het aantal, de lengte en de dikte van de segmenten. De beschreven methode maakt het mogelijk om de netwerktopologie van gels met verschillende morfologieën in kaart te brengen. Voor experimentele en gesimuleerde gels wordt een opmerkelijke topologische gelijkenis aangetoond. Het ontwikkelde topologische mappingalgoritme opent een breed scala aan mogelijkheden om de fysica van colloïdale netwerken in meer detail te bestuderen.

In Hoofdstuk 5 hebben we geprobeerd het in Hoofdstuk 4 gepresenteerde algoritme toe te passen op colloïdale gels onder afschuiving. Het begrijpen van de microstructurele herschikkingen in de vloeiovergang van colloïdale gels is zeer relevant voor het begrijpen van het begin van stroming en vervorming in voedingsmiddelen, verven en coatings. Het is echter nog onverkend hoe de netwerktopologie van gels de vloeigrens beïnvloedt of erdoor wordt beïnvloed. Hier onderzoeken we de vloeiovergang in colloïdale gels in zowel simulaties als experimenten. We onderzoeken verschillende geltopologieën, gevormd bij verschillende interactie-energieën en volumefracties. Bij toenemende vervorming neemt het aantal segmenten in de gel snel af, terwijl de strengen in het netwerk dikker worden. Simulaties onthullen dat het toepassen van afschuiving nabij de percolatie de connectiviteit van het netwerk vergroot. Dit komt door loshangende uiteinden in het netwerk die nieuwe verbindingen kunnen vormen. Netwerken met een hogere volumefractie nemen daarentegen af in connectiviteit door de toegepaste vervorming. Deze resultaten laten zien hoe de geltopologie evolueert tijdens afschuivingsvervorming.

In Hoofdstuk 6 bestuderen we een ander type mechanische instabiliteit in colloïdale gels, namelijk het ineenstorten van een colloïdale gel door de zwaartekracht. Met behulp van confocale microscopie wordt de gravitationele ineenstorting van colloïdale gels gevolgd op het niveau van individuele deeltjes. Na een korte vertragingstijd wordt waargenomen dat de colloïdale gels loskomen van de bovenkant van de monsterkamer en er een macroscopisch grensvlak verschijnt. De sedimentatiedynamica van dit grensvlak wordt bepaald door poro-elastische compressie van de gel die eronder ligt. Grootschalige collectieve bewegingen in de richting loodrecht op het zwaartekrachtveld, veroorzaakt door een onbalans van interne spanningen in de gel, leiden tot afschuivingsvervorming in het netwerk die het falen van de gel versnelt. Deze bewegingen zijn zowel aanwezig tijdens de inductieperiode als tijdens de daaropvolgende fase van snelle bezinking van de gel, en nemen af naarmate de gel zijn uiteindelijke hoogte bereikt. Deze resultaten benadrukken dat niet alleen externe spanningen, maar ook interne spanningen een cruciale rol spelen bij het falen van deze heterogene netwerken.