粘弹性流体中的胶体流体动力学相互作用

《Soft Matter》：Colloidal hydrodynamic interactions in viscoelastic fluids

悬浮胶体粒子运动引发周围流体扰动，形成粒子间流体力学相互作用（HI）。研究首次量化粘弹性流体中的HI，发现其具有时间依赖性和结构记忆效应，与牛顿流体中瞬时HI不同。通过粒子捕捉和诱导平动-旋转耦合，观察到驱动粒子停止后流体产生反向流动（持续时间是蠕虫胶束松弛时间的10倍）。结合理论分析和数值模拟验证，揭示粘弹性流体中蠕虫胶束的结构恢复产生各向异性应力场，导致HI吸引及非标准连续介质模型失效（当胶体尺寸与聚合物缠结长度相当时）。

　　

悬浮的胶体颗粒的运动会在周围介质中产生流体扰动，从而形成颗粒间的相互作用。虽然这类胶体流体动力学相互作用（HIs）在粘性牛顿流体中已被广泛研究，但对于粘弹性流体中的HIs仍缺乏全面的理解。我们开发了一个框架，通过捕获胶体并诱导平移-旋转流体动力学耦合，以极高的时空精度来量化粘弹性流体中的HIs。以蠕虫状胶束（WLMs）的溶液为例，我们发现HIs具有很强的时间依赖性，并且取决于粘弹性流体中产生的结构记忆效应，这与粘性牛顿流体中的“瞬时”HIs不同。我们在瞬态启动过程中直接测量了静止探针与受驱动颗粒之间的“时间依赖性”HIs，这一过程发生在WLM的松弛时间尺度上。当受驱动颗粒突然停止运动后，我们观察到相反方向的流动逆转现象，其持续时间比WLM的松弛时间长10倍。我们通过分析性微流体动力学理论、连续介质模型的直接数值解以及基于颗粒的斯托克斯动力学模拟来验证我们的观察结果。研究发现，WLMs从非线性应变中恢复的结构会生成各向异性和异质应力，从而导致胶体间的流动逆转和流体动力学吸引。测量得到的异质性表明，当胶体的尺寸与聚合物组分及其缠结长度相当时，标准的连续介质本构关系模型不再适用。