Наблюдение механизма отложенного коллапса коллоидных гелей: пластичная деформация при одновременном упрочнении

Отложенный коллапс коллоидных гелей представляет собой сложную проблему. Хотя равновесное поведение смесей коллоид–полимер хорошо изучено, поведение далеко от равновесия, характерное для гелей, оказывается удивительно сложным. По мере старения гели упрочняются за счёт коарсения, при этом не демонстрируя иных макроскопических изменений. Вполне контринтуитивно для материала, чья прочность увеличивается со временем, гели могут испытывать внезапный катастрофический коллапс под действием тяжести, иногда через недели или даже годы после приготовления. Понимание такого отложенного коллапса долгое время оставалось неясным. В настоящей работе мы исследуем отложенный коллапс с помощью различных методов на разных масштабах: от покадровой съёмки, частицы-изображённой велиометрии (particle-image velocimetry) и in situ ротационной реометрии с лопастным зондом на макроскопическом уровне до мультимасштабной конфокальной микроскопии, с помощью которой мы визуализируем весь образец с микроскопической детализацией. Полученные данные позволяют выделить механизм отложенного коллапса: возрастание неоднородности в верхней части геля приводит к образованию капель растворителя с повышенным содержанием растворителя, которые плотнее самого геля. Достигнув достаточного размера, эти капли преодолевают предел текучести геля, образуя каналы при падении. Когда они достигают дна геля, эти каналы обеспечивают быстрый поток растворителя и приводят к внезапному катастрофическому коллапсу.