PMC

Exempel: bredbara livsmedel

Figur 4 visar två exempel på oscillerande testning av brittiska bredbara livsmedel med hjälp av en parallellplatta. Materialet utsätts för en belastning som varierar sinusformigt med tiden med en frekvens på 1 Hz: belastningens amplitud ökas stadigt och det vridmoment som materialet utövar på den rörliga plattan mäts och omvandlas till en skjuvspänning. Värdena för G′ och G″ beräknas sedan. Tre beteendeområden är uppenbara. Vid låg töjning (region I) är båda modulerna oberoende av töjningen: detta är den linjärt elastiska regionen. Här är G′ en storleksordning större än G″ – materialresponsen är huvudsakligen elastisk. I region II minskar G′ med ökande töjning. I region III är G″>G′ så att den viskösa responsen dominerar: materialet har övergått från ett fastliknande beteende till ett vätskeliknande beteende. Vid 0,1 % töjning är G″≈G′ och detta är en kritisk töjning eller spänning, τc (vissa forskare kallar detta för sträckspänning). Andra kommer att hävda att det inte är det). Vi kan uppskatta storleken på τc från τc=G′γ=1000 × 0,001=1 Pa.

Figur 4 antyder att de två bredbara produkterna är mycket lika, men de som är bekanta med Nutella® och Marmite® vet att dessa två material flyter på olika sätt. Båda materialen är icke-newtonska och den skenbara viskositeten beror på skjuvningshastigheten: för att kunna jämföra påläggen måste vi känna till den skjuvningshastighet som bladet utsätter dem för när de sprids. Erfarenhet (låt oss säga att en brödskiva är ungefär 10 cm bred och att det tar 5 s att breda ut sig): V=0,1/5 m/s) tyder på att V~0,02 m/s och h~1 mm, så skjuvhastigheten är ungefär 20/s. Data för skjuvprovningen i figur 5 visar att den skenbara viskositeten för Marmite® är märkbart större än för Nutella® under spridningsförhållanden. För båda materialen minskar den skenbara viskositeten med ökande skjuvningshastighet: de kallas för skjuvningstunnare, vilket återspeglar en störning av växelverkan med vätskan när den skjuvas. Många komplexa vätskor är skjuvtunnande: vissa, som suspensioner av majsstärkelse, är skjuvtunnande och η ökar med skjuvningshastigheten.

Valet av korrekta tidsskalor (enheterna för skjuvningshastighet är s-1, så skjuvningshastigheter är reciproka tidsskalor) och skjuvningshastigheter är viktigt när man gör reologiska mätningar. Figur 5 visar att mätningar som görs vid en icke-representativ skjuvningshastighet ger felaktiga resultat. Tänk på tårfilmen som skapas när ögonlocket blinkar. Ögonlocket rör sig fram och tillbaka ca 15 mm på ca 150 ms, så V~0,1 m/s: om man antar att tårfilmens tjocklek är ca 3 μm får man en skjuvningshastighet i samband med bildandet av tårfilmen på ca 33 000/s. Detta är en hög skjuvhastighet och för att göra mätningar i detta område kan det krävas specialutrustning. Den andra tidsskalan att beakta är relaxationstiden, som kan relateras till perioden mellan blinkningar (ca 5 s), vilket avgör hur lång tid vätskan har på sig att återhämta sig mellan skjuvningsepisoderna.

Den här aspekten av återhämtning av interaktioner är också tydlig i figur 5, där data presenteras för skjuvningshastigheten som ökas till det maximala värdet för att sedan minskas igen. Den skenbara viskositeten hos Nutella® är lägre på retursträckan, en egenskap som kallas thixotropi och som hänger samman med att vätskan behöver tid för att återhämta sig från deformationen. Marmite® uppvisar ett ovanligt beteende, eftersom den skenbara viskositeten är nästan konstant på retursträckan. Den kommer effektivt ihåg hur snabbt den har skjutits.

Non-Newtoniskt beteende beror på interaktioner mellan komponenterna i en vätska. Marmite® innehåller många upplösta proteinfragment: många biologiska vätskor är polymerlösningar och glaskroppen (VH) är en vattensuspension av kollagenfibriller. Silva et al1 studerade reologin hos kanin VH med hjälp av tekniker som liknar dem i figurerna 4 och 55 och visade att VH existerar som en vätske- eller gelfas, som båda är viskoelastiska.

Nutella® är en tät suspension, och skjuvförtunningen beror på interaktioner mellan partiklarna. Celler eller bubblor, som är mikroskaliga, kan orsaka ett antal olika interaktioner. Figur 6 visar ett exempel på en starkt elastisk reaktion som genereras genom att skära en bubblig vätska: omröraren rör sig i en riktning men vätskan svarar genom att generera en kraft i en annan riktning, vilket gör att smeten klättrar uppför staven. Teckningen i figur 7 visar ett prov som roteras i ett parallellplattentest. Den uppåtriktade dragkraft som genereras uttrycks som en skillnad i normalspänningarna, N1-N2. Uppgifterna i figur 7 visar att honung utan bubblor ger en konstant, liten N1-N2: om man tillsätter bubblor får man en stor uppdrivning. Flödet av ett sådant material längs ett rör kan generera stora normalspänningar på rörväggarna.

Det finns ett antal andra typer av icke-newtonskt beteende. Viskoplastiska vätskor är sådana som inte flyter förrän en kritisk spänning uppnås. En Binghamvätska är den enklaste typen av viskoplastisk vätska. Under den kritiska spänningen – som ofta kallas för flytspänning – uppvisar materialet ett fast beteende, t.ex. elasticitet och krypning. Över den kritiska spänningen flödar vätskan och den skenbara viskositeten beror på skjuvningshastigheten. Viskoplastiska vätskor är alltid skjuvtunnande, men alla skjuvtunnande vätskor är inte viskoplastiska. Exempel från vardagen är tandkräm och hårgelé. Tomatketchup beskrivs ofta som viskoplastisk, men det är nog mer komplicerat igen. Att mäta den kritiska spänningen kan vara en utmaning: det uppskattade värdet bestäms ofta av mätmetoden.