Enthüllung nicht-newtonscher Fluide: Ein umfassender Leitfaden

Sie haben wahrscheinlich schon von Flüssigkeiten gehört, die den Gesetzen der Physik zu trotzen scheinen – Flüssigkeiten, die plötzlich erstarren, wenn man sie schlägt, oder Gele, die frei fließen, bis man sie schüttelt. Diese seltsamen Substanzen, bekannt als nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, verhalten sich ganz anders als die uns täglich bekannten Flüssigkeiten. Da Wissenschaftler und Ingenieure immer mehr über diese eigenartigen Materialien herausfinden, erweitern sich ihre Anwendungsgebiete von der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Medizin immer mehr.

In diesem umfassenden Leitfaden tauchen wir in die Grundlagen der nicht-Newtonschen Strömungsmechanik ein. Wir untersuchen, was sie von herkömmlichen Flüssigkeiten unterscheidet, die verschiedenen Arten nicht-Newtonschen Verhaltens und alltägliche Beispiele, die Ihnen vielleicht bekannt vorkommen.

Was sind nicht-Newtonsche Flüssigkeiten?

Nicht-Newtonsche Fluide sind eine Klasse von Fluiden, die im Vergleich zu ihren Newtonschen Gegenstücken ein einzigartiges Verhalten aufweisen.. Im Gegensatz zu newtonschen Flüssigkeiten, bei denen eine lineare Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit besteht, weichen nicht-newtonsche Flüssigkeiten von dieser Linearität ab. Dies bedeutet, dass sich ihre Viskosität oder ihr Fließwiderstand je nach angewandter Spannung oder Dauer der Spannung ändert.

Der Begriff „nicht-newtonsch“ umfasst eine breite Palette von Flüssigkeitsverhalten, die nicht dem Newtonschen Viskositätsgesetz folgen. Dieses Gesetz besagt, dass die Scherspannung (τ) direkt proportional zur Schergeschwindigkeit (γ) ist, wobei die Proportionalitätskonstante die Viskosität (μ) ist. Mathematisch wird diese Beziehung wie folgt ausgedrückt:

τ = μγ

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten unterliegen jedoch nicht dieser einfachen linearen Beziehung. Ihre Viskosität kann mit zunehmender Schergeschwindigkeit zunehmen (Scherverdickung) oder abnehmen (Scherverdünnung), oder sie können zeitabhängiges Verhalten wie Thixotropie oder Rheopexie aufweisen.

Wie nicht-Newtonsche Flüssigkeiten funktionieren

Das einzigartige Verhalten nicht-newtonscher Flüssigkeiten ergibt sich aus ihren komplexen Mikrostrukturen. Diese Flüssigkeiten enthalten oft Schwebeteilchen, langkettige Moleküle oder verwickelte Polymere, die auf komplizierte Weise miteinander und mit der umgebenden Flüssigkeit interagieren.

Wenn eine nicht-newtonsche Flüssigkeit Scherspannungen ausgesetzt wird, erfährt die Mikrostruktur Veränderungen, die sich auf die Viskosität der Flüssigkeit auswirken. Zum Beispiel:

• In scherverdickenden Flüssigkeiten können die Partikel oder Moleküle vorübergehend Cluster oder Ketten bilden, die dem Fließen Widerstand leisten und so die Viskosität erhöhen.
• Bei scherverdünnenden Flüssigkeiten kann die angewandte Spannung dazu führen, dass sich die Moleküle ausrichten oder entwirren, wodurch die Viskosität abnimmt.
• Bei zeitabhängigen Flüssigkeiten kann es im Laufe der Zeit zu einem Abbau (Thixotropie) oder Aufbau (Rheopexie) ihrer Mikrostruktur kommen, was zu Veränderungen der Viskosität führt.

Das spezifische Verhalten einer nicht-newtonschen Flüssigkeit hängt von Faktoren wie Größe, Form und Konzentration der suspendierten Partikel sowie den Wechselwirkungen zwischen ihnen und der umgebenden Flüssigkeit ab.

Newtonsche und nicht-newtonsche Flüssigkeiten

Arten nicht-Newtonschen Verhaltens

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können basierend auf ihrer Reaktion auf angewandte Spannung grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: spannungsabhängige Flüssigkeiten und zeitabhängige Flüssigkeiten.

Spannungsabhängige Flüssigkeiten

Spannungsabhängige Flüssigkeiten weisen eine Viskositätsänderung als Funktion der angewandten Scherspannung auf. Es gibt zwei Haupttypen spannungsabhängiger nicht-newtonscher Flüssigkeiten:

• Scherverdickende (dilatante) Fluide: Die Viskosität dieser Flüssigkeiten nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit zu. Ein klassisches Beispiel ist eine Mischung aus Maisstärke und Wasser, die oft als „Oobleck“ bezeichnet wird. Bei plötzlicher Belastung, wie etwa Rühren oder Stößen, wird die Flüssigkeit widerstandsfähiger gegen Fließen und erscheint fast fest. Dieses Verhalten wird auf die Bildung temporärer Partikelcluster zurückgeführt, die das Fließen behindern.
• Scherverdünnende (pseudoplastische) Flüssigkeiten: Im Gegensatz zu scherverdickenden Flüssigkeiten weisen scherverdünnende Flüssigkeiten mit zunehmender Schergeschwindigkeit eine Viskositätsabnahme auf. Viele gängige Substanzen wie Ketchup, Farbe und Shampoo fallen in diese Kategorie. Im Ruhezustand haben diese Flüssigkeiten eine höhere Viskosität, aber wenn Scherspannung angewendet wird (z. B. beim Zusammendrücken einer Ketchupflasche), nimmt die Viskosität ab, wodurch die Flüssigkeit leichter fließt. Dieses Verhalten ist häufig auf die Ausrichtung oder Entflechtung langkettiger Moleküle unter Scherung zurückzuführen.

Zeitabhängige Viskosität

Zeitabhängige nicht-Newtonsche Flüssigkeiten zeigen eine Veränderung der Viskosität im Laufe der Zeit, wenn sie einer konstanten Schergeschwindigkeit ausgesetzt sind. Es gibt zwei Haupttypen zeitabhängigen nicht-Newtonschen Verhaltens:

• Thixotrope Flüssigkeiten: Thixotrope Flüssigkeiten verlieren mit der Zeit an Viskosität, wenn sie einer konstanten Schergeschwindigkeit ausgesetzt werden. Dieses Verhalten ist reversibel, d. h. die Flüssigkeit erlangt ihre ursprüngliche Viskosität zurück, sobald die Scherspannung entfernt wird. Ein gängiges Beispiel für eine thixotrope Flüssigkeit ist Joghurt. Beim Rühren wird Joghurt dünnflüssiger und fließt leichter, nimmt aber allmählich seine Dicke wieder an, wenn er nicht mehr gerührt wird. Thixotropie wird häufig auf den Zusammenbruch mikrostruktureller Wechselwirkungen unter Scherung zurückgeführt.
• Rheopektische Flüssigkeiten: Rheopektische Flüssigkeiten, auch als antithixotrope Flüssigkeiten bekannt, zeigen das entgegengesetzte Verhalten von thixotropen Flüssigkeiten. Diese Flüssigkeiten erfahren mit der Zeit eine Viskositätssteigerung, wenn sie einer konstanten Schergeschwindigkeit ausgesetzt werden. Rheopektisches Verhalten ist weniger verbreitet als Thixotropie und wird oft bei bestimmten Arten von Gelen und Suspensionen beobachtet. Ein Beispiel für eine rheopektische Flüssigkeit ist eine Suspension von Gips in Wasser. Bei Scherung bilden die Gipspartikel miteinander verbundene Netzwerke, wodurch die Viskosität der Suspension steigt.

Alltägliche Beispiele für nicht-newtonsche Flüssigkeiten

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind in unserem täglichen Leben häufiger anzutreffen, als man denkt. Hier sind einige alltägliche Beispiele:

1. Ketchup: Ketchup ist eine scherverdünnende Flüssigkeit. Wenn Sie auf den Boden einer Ketchupflasche klopfen, üben Sie eine plötzliche Scherspannung aus, die dazu führt, dass der Ketchup dünner wird und leichter aus der Flasche fließt.
2. Zahnpasta: Zahnpasta ist ein weiteres Beispiel für eine scherverdünnende Flüssigkeit. Sie ist dick und viskos, wenn man sie aus der Tube drückt, aber sie wird dünnflüssig und lässt sich leicht verteilen, wenn man sie über die Zähne streicht.
3. Blut: Blut ist eine komplexe nicht-newtonsche Flüssigkeit, die scherverdünnendes Verhalten zeigt. Diese Eigenschaft ermöglicht dem Blut, effizient durch die engen Kapillaren des Körpers zu fließen.
4. Malen: Viele Farben sind strukturviskose Flüssigkeiten. Sie sind dick, wenn sie mit einem Pinsel oder einer Rolle aufgetragen werden, werden aber dünnflüssig und verlaufen gleichmäßig, wenn sie auf einer Oberfläche verteilt werden.
5. Treibsand: Treibsand ist eine scherverdickende Flüssigkeit. Bei Bewegung verkleben die Sandpartikel miteinander, wodurch die Viskosität zunimmt und es schwieriger wird, zu entweichen.
6. Maisstärke-Wasser-Mischung: Diese Mischung wird oft als „Oobleck“ bezeichnet und ist ein klassisches Beispiel für eine scherverdickende Flüssigkeit. Bei langsamem Rühren verhält sie sich wie eine Flüssigkeit, verfestigt sich jedoch bei plötzlichen Stößen.
7. Knetmasse: Silly Putty ist ein viskoelastisches Material, das sowohl flüssige als auch feste Eigenschaften aufweist. Es kann unter seinem eigenen Gewicht langsam fließen, springt aber wie ein Feststoff, wenn es fallen gelassen wird.
8. Mayonnaise: Mayonnaise ist eine scherverdünnende Flüssigkeit, die auch thixotropes Verhalten zeigt. Im Ruhezustand ist sie dick und viskos, wird aber beim Rühren oder Scheren dünner und lässt sich leicht verteilen.