PMC

Esimerkki: ruokalevitteet

Kuvassa 4 on kaksi esimerkkiä brittiläisten ruokalevitteiden värähtelytestauksesta rinnakkaislevylaitteella. Materiaaliin kohdistetaan rasitus, joka vaihtelee sinimuotoisesti ajan funktiona 1 Hz:n taajuudella: rasituksen amplitudia kasvatetaan tasaisesti ja materiaalin liikkuvaan levyyn kohdistama vääntömomentti mitataan ja muunnetaan leikkausjännitykseksi. Tämän jälkeen lasketaan G′:n ja G″:n arvot. On havaittavissa kolme käyttäytymisaluetta. Pienellä rasituksella (alue I) molemmat moduulit ovat riippumattomia rasituksesta: tämä on lineaarisesti elastinen alue. Täällä G′ on kertaluokkaa suurempi kuin G″ – materiaalin vaste on pääasiassa elastinen. Alueella II G′ pienenee rasituksen kasvaessa. Alueella III G″>G′, joten viskoosivaste on hallitseva: materiaali on siirtynyt kiinteän aineen kaltaisesta käyttäytymisestä nesteen kaltaiseen käyttäytymiseen. Kun jännitys on 0,1 %, G″≈G′ ja tämä on kriittinen jännitys τc (jotkut kutsuvat tätä myötöjännitykseksi). Toiset väittävät, että se ei ole sitä). Voimme arvioida τc:n suuruuden seuraavasti: τc=G′γ=1000 × 0,001=1 Pa.

Kuvasta 4 voidaan päätellä, että nämä kaksi levitystuotetta ovat hyvin samankaltaisia, mutta Nutella®:n ja Marmite®:n tuntevat tietävät, että nämä kaksi materiaalia virtaavat eri tavalla. Molemmat materiaalit ovat ei-newtonilaisia, ja näennäinen viskositeetti riippuu leikkausnopeudesta: voidaksemme vertailla levitteitä meidän on tiedettävä terän aiheuttama leikkausnopeus levityksen aikana. Kokemus (sanotaan, että leipäviipale on noin 10 cm leveä ja sen levittäminen kestää 5 sekuntia: V=0,1/5 m/s) viittaa siihen, että V~0,02 m/s ja h~1 mm, joten leikkausnopeus on noin 20/s. Kuvassa 5 esitetyt tasaisen leikkauskokeen tiedot osoittavat, että Marmite®:n näennäinen viskositeetti on levitysolosuhteissa huomattavasti suurempi kuin Nutella®:n. Molempien materiaalien näennäinen viskositeetti pienenee leikkausnopeuden kasvaessa: niitä kutsutaan leikkausohuiksi, mikä kuvastaa vuorovaikutusten häiriintymistä nesteen kanssa, kun se leikkautuu. Monet monimutkaiset nesteet ovat leikkausohentuvia: jotkut, kuten maissitärkkelyssuspensiot, ovat leikkausohentuvia ja η kasvaa leikkausnopeuden kasvaessa.

Oikeiden aikaskaalojen (leikkausnopeuden yksiköt ovat s-1, joten leikkausnopeudet ovat vastavuoroisia aikaskaaloja) ja leikkausnopeuksien valinta on tärkeää reologisia mittauksia tehtäessä. Kuva 5 osoittaa, että mittaukset, jotka on tehty epäedustavalla leikkausnopeudella, antavat virheellisiä tuloksia. Tarkastellaan silmäluomen räpäytyksessä syntyvää kyynelfilmiä. Silmäluomi liikkuu edestakaisin noin 15 mm noin 150 ms:ssa, joten V~0,1 m/s: jos kyynelfilmin paksuudeksi otetaan noin 3 μm, kyynelfilmin muodostumiseen liittyvä leikkausnopeus on noin 33 000/s. Tämä on suuri leikkausnopeus, ja mittausten tekeminen tällä alueella saattaa vaatia erikoislaitteita. Toinen huomioon otettava aikaskaala on relaksaatioaika, joka voidaan suhteuttaa silmänräpäysten väliseen aikaan (noin 5 s), joka määrittää, kuinka kauan nesteellä on aikaa palautua leikkausjaksojen välillä.

Tämä vuorovaikutusten palautumiseen liittyvä näkökohta käy ilmi myös kuvasta 5, jossa esitetään tietoja, joissa leikkausnopeus nostetaan maksimiarvoon ja sitten taas lasketaan. Nutella®:n näennäinen viskositeetti on alhaisempi paluujaksolla, mikä tunnetaan nimellä tiksotropia ja liittyy siihen, että neste tarvitsee aikaa palautuakseen muodonmuutoksesta. Marmite® käyttäytyy epätavallisesti, sillä näennäinen viskositeetti on lähes vakio paluuosuudella. Se muistaa tehokkaasti, kuinka nopeasti sitä on leikattu.

Ei-newtonilainen käyttäytyminen johtuu nesteen komponenttien välisistä vuorovaikutuksista. Marmite® sisältää monia liuenneita proteiinifragmentteja: monet biologiset nesteet ovat polymeeriliuoksia ja lasiaisneste (VH) on kollageenifibrillien vesisuspensio. Silva et al1 tutkivat kanin VH:n reologiaa käyttäen samankaltaisia tekniikoita kuin kuvissa 4 ja ja55 ja osoittivat, että VH esiintyy nestemäisenä tai geelifaasina, jotka molemmat ovat viskoelastisia.

Nutella® on tiheä suspensio, ja leikkausohennus johtuu hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista. Solut tai kuplat, mikroskaalan piirteinä, voivat aiheuttaa useita erilaisia vuorovaikutuksia. Kuvassa 6 on esimerkki voimakkaasti elastisesta vasteesta, joka syntyy kuplittavan nesteen leikkaamisesta: sekoitin liikkuu yhteen suuntaan, mutta neste reagoi synnyttämällä voiman eri suuntaan, jolloin taikina kiipeää ylöspäin tankoa pitkin. Kuvassa 7 olevassa sarjakuvassa näytettä pyöritetään rinnakkaislevykokeessa. Syntynyt nousuvoima ilmaistaan normaalijännitysten N1-N2 erotuksena. Kuvassa 7 esitetyt tiedot osoittavat, että kuplaton hunaja antaa tasaisen, pienen N1-N2-arvon: kuplien lisääminen antaa suuren nousujännityksen. Tällaisen materiaalin virtaus putkea pitkin voi synnyttää suuria normaalijännityksiä putken seinämiin.