自由扩张液膜中黏性与弹性的相互作用

我们研究自由扩张液膜的动力学，所用流体具有不同流变特性：(i) 零剪切黏度 $\eta_0$ 在 $(1-1000) \, \mathrm{mPa.s}$ 范围内的黏性流体，以及 (ii) 黏弹性 Maxwell 流体，其弹性模量 $G_0$、特征弛豫时间 $\tau$ 和零剪切黏度 $\eta_0=G_0 \tau$ 可在数个数量级上调节。液膜通过流体液滴撞击小型圆柱形固体靶产生。对于黏弹性流体，我们表明，当 $\tau$ 短于液膜的典型寿命（$\sim 10$ ms）时，液膜的动力学与具有相同零剪切黏度的牛顿黏性液体相似。在该情况下，对于低黏度样品（$\eta_0 <\sim 30$ mPa.s），液膜的最大扩张 $d_{\rm{max}}$ 与 $\eta_0$ 无关，而对于更高黏度的样品，$d_{\rm{max}}$ 随 $\eta_0$ 增加而减小。我们提供了一个简单模型来解释液膜最大扩张对黏度的依赖关系，该模型基于惯性、表面张力与固体靶上的黏性剪切耗散之间的能量平衡，并且与我们的实验数据吻合良好。相反，当 $\tau$ 长于液膜的典型寿命时，行为截然不同。与具有可比零剪切黏度的黏性样品相比，液膜扩张显著增强，但呈现异质性并出现裂纹，揭示了黏弹性流体的弹性本质。