非ニュートン流体の解明：総合ガイド

おそらく、物理法則に反するような液体について聞いたことがあるでしょう。たとえば、衝撃を与えると突然固まる液体や、振るまで自由に流れるゲルなどです。非ニュートン流体と呼ばれるこれらの奇妙な物質は、私たちが日常的に目にする馴染みのある液体とはまったく異なる挙動を示します。科学者やエンジニアがこれらの特異な物質についてさらに解明するにつれて、航空宇宙から医療までさまざまな分野での応用が拡大し続けています。

この総合ガイドでは、非ニュートン流体力学の基礎について詳しく説明します。従来の流体との違い、非ニュートン挙動のさまざまなタイプ、そして皆さんがよく知っている日常的な例などについて説明します。

非ニュートン流体とは何か

非ニュートン流体は、ニュートン流体と比較して独特の挙動を示す流体の一種である。せん断応力とせん断速度の間に直線関係があるニュートン流体とは異なり、非ニュートン流体はこの直線関係から外れます。つまり、非ニュートン流体の粘度、つまり流れに対する抵抗は、加えられた応力や応力の持続時間に応じて変化します。

「非ニュートン流体」という用語は、ニュートンの粘性法則に従わない幅広い流体挙動を包含します。この法則は、せん断応力 (τ) がせん断速度 (γ) に正比例し、比例定数が粘度 (μ) であると規定しています。数学的には、この関係は次のように表されます。

τ = μγ

ただし、非ニュートン流体はこの単純な線形関係に従いません。非ニュートン流体の粘度は、せん断速度の増加に伴って増加 (せん断増粘) または減少 (せん断減粘) したり、チキソトロピーやレオペクシーなどの時間依存の挙動を示す場合があります。

非ニュートン流体の仕組み

非ニュートン流体の独特な挙動は、その複雑な微細構造から生じます。これらの流体には、多くの場合、互いに、また周囲の流体と複雑に相互作用する浮遊粒子、長鎖分子、または絡み合ったポリマーが含まれています。

非ニュートン流体がせん断応力を受けると、微細構造が変化し、流体の粘度に影響を及ぼします。例:

• ずり粘稠化流体では、粒子または分子が一時的にクラスターまたは鎖を形成して流れに抵抗し、粘度が増加することがあります。
• ずり流動化流体では、加えられた応力によって分子が整列したり、絡み合ったりして粘度が低下することがあります。
• 時間依存性流体は、時間の経過とともに微細構造の破壊（チキソトロピー）または蓄積（レオペクシー）を示し、粘度の変化につながる可能性があります。

非ニュートン流体の特定の挙動は、浮遊粒子のサイズ、形状、濃度、およびそれらの粒子と周囲の流体との相互作用などの要因によって異なります。

ニュートン流体と非ニュートン流体

非ニュートン的挙動の種類

非ニュートン流体は、加えられた応力に対する反応に基づいて、応力依存流体と時間依存流体の 2 つのカテゴリに大まかに分類できます。

応力依存流体

応力依存流体は、加えられたせん断応力の関数として粘度の変化を示します。応力依存非ニュートン流体には、主に 2 つのタイプがあります。

• せん断増粘（ダイラタント）流体これらの流体は、せん断速度が増加すると粘度が増加します。典型的な例は、コーンスターチと水の混合物で、「ウーブレック」と呼ばれることがよくあります。攪拌や衝撃などの突然のストレスを受けると、流体は流れにくくなり、ほとんど固体のように見えます。この動作は、流れを妨げる一時的な粒子クラスターの形成に起因します。
• せん断流動化（擬塑性）流体: せん断増粘流体とは対照的に、せん断減粘流体はせん断速度が増加すると粘度が低下します。ケチャップ、塗料、シャンプーなど、一般的な物質の多くはこのカテゴリに分類されます。静止状態ではこれらの流体の粘度は高くなりますが、せん断応力が加わると (ケチャップのボトルを絞るなど)、粘度が低下して流体がより流れやすくなります。この動作は、せん断下で長鎖分子が整列したり絡み合ったりすることが原因であることが多いです。

時間依存粘度

時間依存型非ニュートン流体は、一定のせん断速度を受けると、時間の経過とともに粘度が変化します。時間依存型非ニュートン流体の動作には、主に 2 つのタイプがあります。

• チキソトロピック流体: チキソトロピー流体は、一定のせん断速度にさらされると、時間の経過とともに粘度が低下します。この動作は可逆的であり、せん断応力が除去されると流体は元の粘度に戻ります。チキソトロピー流体の一般的な例はヨーグルトです。ヨーグルトはかき混ぜると粘度が低下して流れやすくなりますが、そのまま放置すると徐々に粘度が戻ります。チキソトロピーは、せん断による微細構造の相互作用の破壊に起因することが多いです。
• レオペクティック流体レオペクティック流体は、反チキソトロピー流体とも呼ばれ、チキソトロピー流体とは逆の挙動を示します。これらの流体は、一定のせん断速度にさらされると、時間の経過とともに粘度が増加します。レオペクティック挙動はチキソトロピーほど一般的ではありませんが、特定の種類のゲルや懸濁液でよく見られます。レオペクティック流体の例としては、水中の石膏の懸濁液があります。せん断されると、石膏粒子は相互接続されたネットワークを形成し、懸濁液の粘度が増加します。

非ニュートン流体の日常的な例

非ニュートン流体は、私たちの日常生活において想像以上に一般的です。以下に、日常生活でよく見られる例をいくつか挙げます。

1. ケチャップ: ケチャップはせん断流動性流体です。ケチャップのボトルの底を軽くたたくと、急激なせん断応力がかかり、ケチャップが薄くなってボトルから流れ出やすくなります。
2. 歯磨き粉: 歯磨き粉もずり減粘性流体の一例です。チューブから絞り出したときは濃厚で粘性がありますが、歯に塗ると薄くなって簡単に広がります。
3. 血血液は、せん断流動性を示す複雑な非ニュートン流体です。この特性により、血液は体内の狭い毛細血管を効率的に流れることができます。
4. ペイント多くの塗料はせん断減粘性流体です。ブラシやローラーで塗布すると粘度が高くなりますが、表面に広げると粘度が下がり、滑らかになります。
5. 流砂流砂はずり粘稠性の流体です。撹拌すると砂の粒子が固まり、粘度が増して逃げにくくなります。
6. コーンスターチと水の混合物: しばしば「ウーブレック」と呼ばれるこの混合物は、ずり粘稠化流体の典型的な例です。ゆっくりかき混ぜると液体のように動作しますが、突然の衝撃を受けると固まります。
7. シリーパティシリーパティは、液体と固体の両方の特性を示す粘弾性材料です。自重でゆっくりと流れますが、落とすと固体のように跳ね返ります。
8. マヨネーズマヨネーズは、チキソトロピー挙動も示すせん断減粘性流体です。静止しているときは濃厚で粘性がありますが、かき混ぜたりせん断したりすると薄まり、簡単に広がります。