Structure of complex fluids under shear flows

Abstract

Durch die jüngsten Entwicklungen moderner Synchrotron-Quellen und Freie-Elektronen-Laser im Roentgenbereich sind Liquid Jets im Groeßenbereich von Mikrometern zu einer der wichtigsten Probenumgebungen geworden. Aus diesem Grund ist es von großer Wichtigkeit, Liquid Jet-Systeme zu entwickeln, die mit einem Roentgenstrahl im Mikrometerbereich kompatibel sind, der fuer die Untersuchung von Nanostrukturen und dem Verhalten fließender komplexer Fluessigkeiten optimiert ist. Die vorliegende Arbeit beschaeftigt sich mit einer detaillierten Roentgenstreustudie von Liquid Jets, die durch ein ”gas dynamic virtual nozzle” (GDVN)-System erzeugt werden. Wegen des besonderen Mechnismus der Entstehung des Mikrojets bieten solche Injektionsvorrichtungen eine einzigartige Moeglichkeit, rheologische Untersuchungen bei sehr hohen Scherraten durchzufuehren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hauptsächlich zwei Themenkomplexe untersucht: 1. Das Verhalten von spindelfoermigen Haematit-Partikeln in einer von einem GDVN-System erzeugten Stroemung mit Hilfe von Roentgenweitwinkelstreuung (WAXS). 2. Die Auswirkung der Mikrojet- und Mikrotroepfchengeometrien auf das Streubild im Bereich der Roentgenkleinwinkelstreuung (SAXS). Hierzu wurde ein bereits existierender Versuchsaufbau verbessert, um ihn fuer Experimente an der Beamline P10 bei PETRA III zu optimieren. Die WAXS-Studie zeigt eine ausgepraegte Ausrichtung der spindelfoermigen Partikel parallel zur Stroemungsrichtung. Die Orientierung ist dabei von dem Halbachsenverhaeltnis der Partikel, der Stroemungsgeschwindigkeit und dem Duesendurchmesser abhaengig. Die Staerke der Ausrichtung der Partikel wurde durch Modellierung von Debye-Scherrer Ringen quantifiziert, die das Verhalten der Spindeln entlang des Mikrojets, quer durch diesen hindurch, sowie innerhalb der Mikrotroepfchen beschreiben. Die Partikel zeigen eine abnehmende Ausrichtung mit zunehmender Entfernung von der Duesenspitze und keine bevorzugte Orientierung innerhalb des Troepfchenregimes. Der Grad der Orientierung wurde mit zunehmendem Abstand von der Duesenspitze untersucht. Die beobachtete Abnahme der Ausrichtung ist dabei viel hoeher als bei reiner Rotationsdiffusion zu erwarten waere. Der Unterschied deutet darauf hin, dass das Verhalten der Partikel von der Stroemung und dem abrupten Erloeschen der Scherkraefte dominiert wird. Das zweite Thema dieser Arbeit ist eine SAXS-Studie zur Auswirkung der Geometrien von Mikrojets und -troepchen auf das erhaltene Streubild. Es wurde eine detaillierte Abbildung von Streusignalen, die durch verschiedene Jetgeometrien hervorgerufen werden, entlang und durch den Jet hindurch erstellt. Die experimentellen Ergebnisse konnten erfolgreich modelliert werden und suggerieren, dass sowohl die Groeße des Roentgenstrahls als auch die Groeße des Liquid Jets im Mikrometerbereich bei der Auswertung von SAXS-Experimenten beruecksichtigt werden muessen.

With the recent developments of modern synchrotron and X-ray Free Electron Laser (XFEL) light sources high speed and micrometer-sized liquid jets have become one of the most important sample delivery systems. For that reason, it is highly important to develop liquid jet devices compatible with micrometer X-ray beams, which are optimized for the investigation of nanostructures and the behavior of complex liquids behavior under flow. This thesis reports a detailed X-ray scattering study of a liquid jet produced by a gas dynamic virtual nozzle (GDVN) system. Due to the very special microjet formation mechanism, these injection devices offer a unique possibility to perform rheological studies at very high shear rates. In the framework of this thesis two main topics have been studied: 1. The behavior of spindle-shaped hematite particles in a GDVN produced flow by WAXS. 2. The impact of microjet and microdroplet geometries on the scattering patterns by SAXS. Therefore, an existing experimental setup was improved in accordance with the demands of the experiments at PETRA III, P10 beamline. The WAXS study shows a pronounced alignment of spindle-shaped particles parallel to the flow direction. The particles’ alignment is found to be depend on the particles’ aspect ratio, the used flow rates and the nozzle diameter. The degree of orientation of the particles was quantified by modeling Debye Scherrer rings describing the behavior of the spindles along and across the microjet and the microdroplets. Hematite particles show a decrease in alignment downstream the nozzle tip and no orientation was detected in the droplets regime. The degree of alignment was studied with increasing distance from the nozzle tip. The observed loss of alignment is far higher than expected from simple rotational diffusion. The difference between these two values indicates that the particles behavior is dominated by the flow and shear cessation.

The second topic of this work is a SAXS study on the impact of microjets and microdroplets geometries on the scattering patterns. A detailed map on the scattering signal was created taken along and across the jet resulting in different diffractions patterns which arise from the different jet geometries. The experimental findings were successfully modeled suggesting that both, micrometerbeam- sizes and micrometer-jet-sizes have to be taken into account in describing the results of the SAXS experiments.