用光看！单轴细长流动胶束结构的动力学 - 全场细长流变光学测量的挑战 -

演示要点

〇〇开发了全场、非接触式拉伸流变光学测量技术，可同时捕获单轴拉伸流中变形的复杂流体的应力和光学响应。
〇〇由表面活性剂水溶液（CTAB/NaSal系统）形成的线状和网络状胶束的流动取向行为的光学可视化。
〇〇利用这项新技术，我们论证了单轴拉伸流下应力光学定律的建立，并成功量化了应力光学系数。

总结

有些液体被称为“复杂流体”（注1），它们在流动时会改变形状。为了了解这些流体的特性，重要的是要同时检查分子在流动中的定向方式以及这会产生什么样的应力。

表面活性剂水溶液根据盐的浓度和类型形成线状或网状胶束结构，结构的差异极大地改变了粘度（流变性质）。迄今为止，胶束的结构变化主要在“剪切流”中进行研究，但当流动被拉伸时，例如“单轴拉伸流”，流动变得空间不均匀，使得观察变得困难。此外，迄今为止还不清楚描述由于流动（双折射（注2））和应力引起的光学变化的“应力光学定律”在这些条件下是否成立。

V体育电机工程学院武藤正和助理教授和玉野真司教授领导的研究小组开发了一种“全视场扩展流变光学测量技术”，该技术使用高速偏振相机通过落下的液滴产生单轴细长流。利用该技术，我们成功地同时观察了 CTAB/NaSal 水溶液中胶束结构的伸长应力和相位差（双折射的空间积分量）的分布（图 1）。此外，通过详细分析相位差分布，我们能够了解流动中应力集中的位置以及胶束的取向。结果，我们证明了应力-光学定律在弹性毛细管区域（注3）的条件下成立，并表明可以计算单轴细长流中的应力-光学系数。获得的系数与现有报道的剪切流值一致，并且随着胶束浓度的增加而增加。这项新技术使得在拉伸流动下可视化以前困难的胶束取向动力学成为可能，为理解复杂的流体结构是如何形成的提供了新的线索。

该技术将在眼镜、相机镜头、智能手机屏幕保护膜等所用树脂材料的制造过程中创造出无畸变的透明材料（零双折射材料），并有望应用于光学器件和药品制造工艺的优化。此外，由于它可以非接触式、非破坏性地测量，因此对环境友好，可用于评估再生材料和可生物降解塑料等下一代生态材料的质量。

此研究成果发表在美国物理研究所（AIP）出版的学术期刊上流体物理学2025 年 10 月 9 日，精选文章（著名论文）。

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论文信息

论文标题：单轴拉伸流下蠕虫状和网络状胶束结构的全场流变光学分析
作者姓名：Masakazu Muto、Naoki Kako、Tatsuya Yoshino 和 Shinji Tamano
已出版的杂志：流体物理学
发布日期：2025 年 10 月 9 日
DOI：101063/50290249
网址：

术语表

（注1）复杂流体
粘度随施加力的大小和速度而变化的流体的总称。典型的例子包括血液、蜂蜜和表面活性剂。

（注2）双折射
当光穿过物质时，折射率根据光的振动方向而不同的现象。作用在物体上的应力（严格来说是主应力差）与双折射之间存在比例关系（应力光学定律），这个比例常数称为应力光学系数。

（注3）毛细管弹性状态
是弹力与毛细管力平衡、液丝呈指数变细的过渡区域，其特点是产生较强的伸长应力。

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