Het onthullen van niet-Newtoniaanse vloeistoffen: een uitgebreide gids

U hebt waarschijnlijk gehoord van vloeistoffen die de wetten van de fysica lijken te tarten – vloeistoffen die plotseling stollen wanneer ze worden geraakt of gels die vrij stromen totdat ze worden geschud. Deze vreemde substanties, bekend als niet-Newtoniaanse vloeistoffen, gedragen zich heel anders dan de bekende vloeistoffen die we dagelijks tegenkomen. Naarmate wetenschappers en ingenieurs meer ontdekken over deze merkwaardige materialen, blijven hun toepassingen in vakgebieden van lucht- en ruimtevaart tot geneeskunde zich uitbreiden.

In deze uitgebreide gids duiken we in de basisprincipes van niet-Newtoniaanse vloeistofmechanica. We onderzoeken wat ze onderscheidt van conventionele vloeistoffen, de verschillende soorten niet-Newtoniaans gedrag en alledaagse voorbeelden die u wellicht herkent.

Wat zijn niet-Newtoniaanse vloeistoffen?

Niet-Newtoniaanse vloeistoffen zijn een klasse vloeistoffen die een uniek gedrag vertonen in vergelijking met hun Newtoniaanse tegenhangers.. In tegenstelling tot Newtoniaanse vloeistoffen, die een lineaire relatie hebben tussen schuifspanning en schuifsnelheid, wijken niet-Newtoniaanse vloeistoffen af van deze lineariteit. Dit betekent dat hun viscositeit, of weerstand tegen stroming, verandert afhankelijk van de toegepaste spanning of de duur van de spanning.

De term "niet-Newtoniaans" omvat een breed scala aan vloeistofgedragingen die niet de wet van Newton over viscositeit volgen. Deze wet stelt dat de schuifspanning (τ) recht evenredig is met de schuifsnelheid (γ), waarbij de evenredigheidsconstante de viscositeit (μ) is. Wiskundig wordt deze relatie uitgedrukt als:

τ = μγ

Niet-Newtoniaanse vloeistoffen houden zich echter niet aan deze eenvoudige lineaire relatie. Hun viscositeit kan toenemen (shear-thickening) of afnemen (shear-thinning) met toenemende schuifsnelheid, of ze kunnen tijdsafhankelijk gedrag vertonen, zoals thixotropie of rheopexy.

Hoe niet-Newtoniaanse vloeistoffen werken

Het unieke gedrag van niet-Newtoniaanse vloeistoffen komt voort uit hun complexe microstructuren. Deze vloeistoffen bevatten vaak zwevende deeltjes, lange-ketenmoleculen of verstrengelde polymeren die op ingewikkelde manieren met elkaar en de omringende vloeistof interacteren.

Wanneer een niet-Newtoniaanse vloeistof wordt blootgesteld aan schuifspanning, ondergaat de microstructuur veranderingen die de viscositeit van de vloeistof beïnvloeden. Bijvoorbeeld:

• Bij vloeistoffen die door schuifverdikking dikker worden, kunnen de deeltjes of moleculen tijdelijke clusters of ketens vormen die de stroming tegenhouden, waardoor de viscositeit toeneemt.
• Bij vloeistoffen die gebruikmaken van schuifverdunning kan de uitgeoefende spanning ervoor zorgen dat de moleculen zich uitlijnen of ontwarren, waardoor de viscositeit afneemt.
• Tijdsafhankelijke vloeistoffen kunnen in de loop van de tijd een afbraak (thixotropie) of opbouw (rheopexie) van hun microstructuur vertonen, wat leidt tot veranderingen in de viscositeit.

Het specifieke gedrag van een niet-Newtoniaanse vloeistof hangt af van factoren zoals de grootte, vorm en concentratie van de zwevende deeltjes, en van de interacties tussen deze deeltjes en de omringende vloeistof.

Newtoniaanse versus niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Soorten niet-Newtoniaans gedrag

Niet-Newtoniaanse vloeistoffen kunnen grofweg worden ingedeeld in twee categorieën op basis van hun reactie op toegepaste spanning: spanningsafhankelijke vloeistoffen en tijdsafhankelijke vloeistoffen.

Stress-afhankelijke vloeistoffen

Stress-afhankelijke vloeistoffen vertonen een verandering in viscositeit als functie van de toegepaste schuifspanning. Er zijn twee hoofdtypen stress-afhankelijke niet-Newtoniaanse vloeistoffen:

• Vloeistoffen met schuifverdikking (dilatant): Deze vloeistoffen ervaren een toename in viscositeit met toenemende schuifsnelheid. Een klassiek voorbeeld is een mengsel van maizena en water, vaak aangeduid als "oobleck". Wanneer het wordt blootgesteld aan plotselinge stress, zoals roeren of stoten, wordt de vloeistof resistenter tegen stroming en lijkt het bijna vast. Dit gedrag wordt toegeschreven aan de vorming van tijdelijke deeltjesclusters die de stroming belemmeren.
• Schuifverdunnende (pseudoplastische) vloeistoffen: In tegenstelling tot schuifverdikkende vloeistoffen, vertonen schuifverdunnende vloeistoffen een afname in viscositeit bij toenemende schuifsnelheid. Veel gangbare stoffen, zoals ketchup, verf en shampoo, vallen in deze categorie. In rust hebben deze vloeistoffen een hogere viscositeit, maar als er schuifspanning wordt toegepast (bijvoorbeeld door een ketchupfles te knijpen), neemt de viscositeit af, waardoor de vloeistof gemakkelijker kan stromen. Dit gedrag is vaak te wijten aan de uitlijning of ontwarring van lange-ketenmoleculen onder schuifspanning.

Tijdsafhankelijke viscositeit

Tijdsafhankelijke niet-Newtoniaanse vloeistoffen vertonen een verandering in viscositeit in de loop van de tijd wanneer ze worden onderworpen aan een constante schuifsnelheid. Er zijn twee primaire typen tijdsafhankelijk niet-Newtoniaans gedrag:

• Thixotrope vloeistoffen: Thixotrope vloeistoffen ervaren een afname in viscositeit na verloop van tijd wanneer ze worden blootgesteld aan een constante schuifsnelheid. Dit gedrag is omkeerbaar, wat betekent dat de vloeistof zijn oorspronkelijke viscositeit terugkrijgt zodra de schuifspanning is verwijderd. Een veelvoorkomend voorbeeld van een thixotrope vloeistof is yoghurt. Wanneer geroerd, wordt yoghurt minder viskeus en vloeit het gemakkelijker, maar het zal geleidelijk zijn dikte terugkrijgen zodra het ongemoeid wordt gelaten. Thixotropie wordt vaak toegeschreven aan het afbreken van microstructurele interacties onder schuifspanning.
• Reopectische vloeistoffen: Rheopectische vloeistoffen, ook bekend als anti-thixotrope vloeistoffen, vertonen het tegenovergestelde gedrag van thixotrope vloeistoffen. Deze vloeistoffen ervaren een toename in viscositeit in de loop van de tijd wanneer ze worden onderworpen aan een constante schuifsnelheid. Rheopectisch gedrag is minder gebruikelijk dan thixotropie en wordt vaak waargenomen in bepaalde soorten gels en suspensies. Een voorbeeld van een rheopectische vloeistof is een suspensie van gips in water. Wanneer ze worden geschoven, vormen de gipsdeeltjes onderling verbonden netwerken, waardoor de viscositeit van de suspensie toeneemt.

Alledaagse voorbeelden van niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Niet-Newtoniaanse vloeistoffen komen vaker voor in ons dagelijks leven dan je zou denken. Hier zijn enkele alledaagse voorbeelden:

1. Ketchup: Ketchup is een schuifverdunnende vloeistof. Wanneer u op de bodem van een ketchupfles tikt, oefent u een plotselinge schuifspanning uit, waardoor de ketchup dunner wordt en gemakkelijker uit de fles stroomt.
2. Tandpasta: Tandpasta is een ander voorbeeld van een shear-thinning vloeistof. Het is dik en stroperig wanneer het uit de tube wordt geperst, maar het wordt dunner en smeert gemakkelijk uit wanneer het over de tanden wordt gepoetst.
3. Bloed: Bloed is een complexe niet-Newtoniaanse vloeistof die shear-thinning gedrag vertoont. Deze eigenschap zorgt ervoor dat bloed efficiënt door de nauwe haarvaten van het lichaam stroomt.
4. Verf: Veel verven zijn schuifverdunnende vloeistoffen. Ze zijn dik wanneer ze met een kwast of roller worden aangebracht, maar worden dunner en egaliseren glad wanneer ze over een oppervlak worden uitgesmeerd.
5. Drijfzand: Drijfzand is een schuifverdikkende vloeistof. Wanneer geroerd, klonteren de zanddeeltjes samen, waardoor de viscositeit toeneemt en het moeilijk wordt om te ontsnappen.
6. Mengsel van maizena en water: Dit mengsel, dat vaak wordt aangeduid als "oobleck", is een klassiek voorbeeld van een schuifverdikkende vloeistof. Het gedraagt zich als een vloeistof wanneer het langzaam wordt geroerd, maar stolt wanneer het wordt blootgesteld aan een plotselinge impact.
7. Gekke stopverf: Silly Putty is een visco-elastisch materiaal dat zowel vloeibare als vaste eigenschappen vertoont. Het kan langzaam vloeien onder zijn eigen gewicht, maar zal stuiteren als een vaste stof wanneer het valt.
8. Mayonaise: Mayonaise is een schuifverdunnende vloeistof die ook thixotroop gedrag vertoont. Het is dik en viskeus in rust, maar wordt dunner en verspreidt zich gemakkelijk wanneer het wordt geroerd of geschoven.