PMC

Eksempel: smørbare fødevarer

Figur 4 viser to eksempler på oscillerende testning af britiske smørbare fødevarer ved hjælp af en parallelpladeanordning. Materialet udsættes for en belastning, der varierer sinusformet med tiden ved en frekvens på 1 Hz: belastningens amplitude øges støt, og det drejningsmoment, som materialet udøver på den bevægelige plade, måles og omregnes til en forskydningsspænding. Værdierne af G′ og G″ beregnes derefter. Der er tre områder af adfærd. Ved lav belastning (område I) er begge moduler uafhængige af belastningen: dette er det lineært elastiske område. Her er G′ en størrelsesorden større end G″ – materialets respons er primært elastisk. I region II falder G′ med stigende belastning. I område III er G″>G′, så den viskose respons dominerer: materialet er gået fra at udvise en faststoflignende opførsel til en væskelignende opførsel. Ved 0,1 % deformation er G″≈G′, og dette er en kritisk deformation eller spænding, τc (nogle forskere vil kalde dette en flydespænding). Andre vil hævde, at det ikke er det). Vi kan estimere størrelsen af τc ud fra τc=G′γ=1000 × 0,001=1 Pa.

Figur 4 antyder, at de to smørepålægsprodukter er meget ens, men de, der kender Nutella® og Marmite®, vil vide, at disse to materialer flyder forskelligt. Begge materialer er ikke-newtonske, og den tilsyneladende viskositet afhænger af forskydningshastigheden: for at kunne sammenligne smørepålæggene er vi nødt til at kende den forskydningshastighed, som kniven påfører dem, når de smøres. Erfaring (lad os sige, at en brødskive er ca. 10 cm bred, og at det tager 5 s at sprede den): V=0,1/5 m/s) tyder på, at V~0,02 m/s og h~1 mm, så forskydningshastigheden er ca. 20/s. Dataene for stabil shear-testning i figur 5 viser, at den tilsyneladende viskositet for Marmite® er markant større end Nutella® under spredningsbetingelser. For begge materialer falder den tilsyneladende viskositet med stigende forskydningshastighed: de kaldes shear-thinning, hvilket afspejler en afbrydelse af interaktionerne med væsken, når den forskydes. Mange komplekse væsker er forskydningstyndende: nogle, som f.eks. majsstivelsessuspensioner, er forskydningstyndende, og η stiger med forskydningshastigheden.

Det er vigtigt at vælge de korrekte tidsskalaer (enhederne for forskydningshastighed er s-1, så forskydningshastigheder er reciprokke tidsskalaer) og forskydningshastigheder, når der foretages reologiske målinger. Figur 5 viser, at målinger, der foretages ved en ikke-repræsentativ forskydningshastighed, vil give forkerte resultater. Tænk på den tårefilm, der dannes ved øjenlågets blink. Øjenlåget bevæger sig frem og tilbage ca. 15 mm på ca. 150 ms, så V~0,1 m/s: hvis man antager, at tårefilmens tykkelse er ca. 3 μm, giver det en forskydningshastighed i forbindelse med dannelsen af tårefilmen på ca. 33 000/s. Dette er en høj forskydningshastighed, og det kan kræve specialudstyr at foretage målinger i dette område. Den anden tidsskala, der skal tages i betragtning, er afslapningstiden, som kan relateres til perioden mellem blink (ca. 5 s), hvilket vil bestemme, hvor lang tid væsken har til at komme sig mellem skæreepisoderne.

Dette aspekt af genopretning af interaktioner fremgår også tydeligt af figur 5, hvor data er præsenteret for skuerhastigheden, der optrappes til den maksimale værdi og derefter nedtrappes igen. Den tilsyneladende viskositet af Nutella® er lavere på returstrækningen, hvilket er et træk, der er kendt som thixotropi, og som hænger sammen med, at væsken har brug for tid til at komme sig efter deformationen. Marmite® udviser en usædvanlig adfærd, idet den tilsyneladende viskositet er næsten konstant på returstrækningen. Den husker effektivt, hvor hurtigt den er blevet forskudt.

Non-Newtonsk adfærd skyldes interaktioner mellem komponenterne i en væske. Marmite® indeholder mange opløste proteinfragmenter: mange biologiske væsker er polymeropløsninger, og glasvæsken (VH) er en vandig suspension af kollagenfibriller. Silva et al1 undersøgte reologien af kanin-VH ved hjælp af teknikker svarende til dem i figur 4 og og55 og viste, at VH eksisterer som en flydende eller gel-fase, som begge er viskoelastiske.

Nutella® er en tæt suspension, og shear-tyndingen skyldes interaktioner mellem partiklerne. Celler eller bobler kan som mikroskalaelementer forårsage en række forskellige interaktioner. Figur 6 viser et eksempel på en stærkt elastisk reaktion, der genereres ved at skære en boblende væske: omrøreren bevæger sig i én retning, men væsken reagerer ved at generere en kraft i en anden retning, hvilket får batteriet til at klatre op ad stangen. Tegnefilmen i figur 7 viser en prøve, der roteres i en parallelpladeprøve. Den genererede opadgående kraft er udtrykt som en forskel i normalspændingerne, N1-N2. Dataene i figur 7 viser, at honning uden bobler giver et konstant, lille N1-N2: tilsætning af bobler giver et stort opadgående skub. Strømning af et sådant materiale langs et rør kan generere store normalspændinger på rørvæggene.

Der findes en række andre typer af ikke-newtonsk adfærd. Viskoplastiske væsker er væsker, som ikke flyder, før en kritisk spænding er nået. En Bingham-væske er den enkleste type viskoplastisk væske. Under den kritiske spænding – ofte benævnt flydespænding – udviser materialet en faststoflignende opførsel som f.eks. elasticitet og krybning. Over den kritiske spænding flyder væsken, og den tilsyneladende viskositet afhænger af forskydningshastigheden. Viskoplastiske væsker er altid forskydningstyndende, men det er ikke alle forskydningstyndende væsker, der er viskoplastiske. Hverdagens eksempler omfatter tandpasta og hårgelé. Tomatketchup beskrives ofte som viskoplastisk, men det er nok mere komplekst igen. Måling af den kritiske spænding (eller flydespænding) kan være en udfordring: den anslåede værdi bestemmes ofte af målemetoden.