سیالات غیر نیوتنی چیست؟ – انواع آن کدامند؟

سیالات غیر نیوتنی سیالاتی هستند که از مکانیک نیوتنی که بر اساس مشاهدات نیوتن به دست آمده است، پیروی نمی کنند. این سیالات تحت تاثیر نیرو و تنش اعمال شده بر آن ها، دچار تغییر در ویسکوزیته خود می شوند. همان طور که از نامشان پیداست، سیالات غیر نیوتنی برگرفته از نام اسحاق نیوتن است. رفتارهای متفاوتی از سیالات غیرنیوتنی در مقابل افزایش کرنش یا تنش برشی نمایان می شود. این رفتارهای متفاوت شامل گرانروی کمتر یا بیشتر و یا سفت و شل شدن این مایعات است.

به عبارتی دیگر ویسکوزیته و گرانروی سیال های غیر نیوتنی به طور کامل متفاوت با سیال نیوتنی است. از جمله این سیالات می توان به خامه، ماست، رنگ و خون اشاره کرد. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با سیالات غیر نیوتنی، انواع آن ها و تفاوت هایی که با سیالات نیوتنی دارند، آشنا می کند.

سیالات غیر نیوتنی و نیوتنی

دو نوع سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی وجود دارد که در زندگی روزمره با آن ها سر و کار داریم. سیالات نیوتنی که به نام اسحاق نیوتن (فیزیکدان و ریاضیدان مشهور) نام گذاری شده است، به سیالاتی گفته می شود که تا زمانی که دما و فشار در آن ها ثابت باشد، ویسکوزیته این سیال ها ثابت و بدون تغییر می ماند و اعمال نیرو بر گرانروی آن ها بی تاثیر است. تعریف ویسکوزیته، مقاومتی است که یک سیال در مقابل جاری شدن از خود نشان می دهد. آب و هوا نمونه هایی از سیالات نیوتنی است. آب دارای غلظت بیشتری نسبت به هوا بوده و شکل ظرفی را که در آن ریخته می شود را به خود می گیرد.

همچنین با وارد آوردن فشار در یک سیال نیوتنی مانند آب، باز هم ویسکوزیته آن تغییری نمی کند. به عنوان مثال وقتی یک سنگ در آب انداخته می شود و یا توپ در هوا شوت می شود، ویسکوزیته این دو سیال نیوتنی تغییر نمی کند. پس تنها عوامل موثر در ویسکوزیته سیالات نیوتنی، دما و فشار است. اما سیالاتی هستند که علاوه بر تحت تاثیر قرار گرفتن با دما و فشار، ویسکوزیته آن ها با اعمال نیرو نیز تغییر می کند، این سیالات، غیر نیوتنی نامیده می شوند.

یکی دیگر از تفاوت های میان سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی این است که در سیال نیوتنی رابطه بین تنش و نرخ کرنش خطی و مستقیم است و گرانروی، ضریب تبدیل تناسب خطی مذکور به معادله است. ولی در سیالات غیر نیوتنی این رابطه، خطی نیست و از عوامل مهم تاثیرگذار در تنش برشی این سیالات مدت زمانی است که تنش بر آن ها اعمال می شود. در اینجا برای بیان موقعیت تنش برشی، ضریب ثابت معنایی ندارد.

سیالات غیر نیوتنی

در سیالات نیوتنی اعمال فشار باعث تغییر ویسکوزیته در آن ها می شود. این نوع از سیالات با تغییر نرخ کرنش وارد شده، تغییر در ویسکوزیته خود خواهند داشت. یعنی این سیالات گرانروی و ویسکوزیته مشخصی ندارند. کره، پنیر، مربا، مایونز، سوپ و ماست، ماگما، گدازه، عصاره وانیل و … نمونه هایی از سیالات غیر نیوتنی هستند.

در توصیف رفتار و خواص یک سیال غیر نیوتنی، محلول آب و نشاسته را مثال می زنیم. اگر در این محلول دست خود را به طور آرام  و آهسته وارد کنیم، دست ما به آسانی وارد این سیال می شود. یعنی این محلول خاصیت سیال از خود نشان می دهد. ولی اگر به طور سریع و با یک ضربه محکم به این محلول مشت بزنیم، دست ما داخل این محلول نمی شود.

در واقع در این حالت، محلول خاصیت جامد از خود نشان می دهد. چون وقتی به محلول سیال غیر نیوتنی نشاسته و آب، ضربه وارد شده و اعمال نیرو می شود، گرانروی و ویسکوزیته آن زیاد شده و خاصیت جامد از خود نشان می دهد. از این خصوصیت سیال برای کارکرد بهتر برخی از دستگاه ها و همچنین انجام برخی از ورزش ها مانند فوتبال روی این سیالات استفاده می کنند.

کاربرد سیالات غیرنیوتنی

در برخی از تفزیحات ورزشی از سیالات غیرنیوتنی استفاده می شود که می توان بدون فرو رفتن در آن ها، روی این سیالات دوید و یا دوچرخه سواری کرد. در صنعت نیز از برخی از سیالات غیرنیوتنی استفاده می شود. مایعات اتمی، محلول ها و پلیمرهای مذاب، موادی که ویژگی های الاستیکی و لزجی را با هم داشته و در صنعت کاربرد دارند، نمونه ای از این مواد است. در تهیه لباس های محافظ برای جذب ضربه گلوله از سیالات غیرنیوتنی استفاده می شود. با توجه به نوع سیال غیر نیوتنی کاربردهای آن متفاوت است که در زیر با معرفی هر نوع از این سیال، بیان می شود.

طبقه بندی سیالات غیر نیوتنی

سیال های غیر نیوتنی را به دو دسته مستقل از زمان و وابسته به زمان تقسیم می کنند.

سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان

در این نوع از سیالات ویسکوزیته به گذشت زمان وابسته نبوده و به مدت زمانی که تنش برشی اعمال می شود، بستگی ندارد. این نوع از سیالات به بزرگی نیرو و تنش برشی وابسته است. سه دسته سیالات دیلاتانت، شبه پلاستیک ها و بینگهام در این گروه قرار دارند.

دیلاتانت

یکی از سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان، دیالانت است که با وارد کردن ضربه محکم تر به آن ها، ویسکوزیته و گرانروی آن ها زیاد می شود. این رفتار که در سوسپانسیون ها نیز ممکن است اتفاق بیفتد، این است که با زیاد کردن تنش برشی، ویسکوزیته زیاد می شود. ترکیب آب و نشاسته ذرت نمونه ای از این سیال است.

این سیال در حالت عادی و بدون اعمال تنش و نیروی خاصی، حالت مایع دارد. ولی با اعمال تنش و ضربه محکم مانند یک جامد، دارای ویسکوزیته زیادی می شود. به دلیل داشتن این ویژگی می توان روی این مایعات راه رفت. پس ورزش هایی مانند دویدن و دوچرخه سواری را می توان روی حوضچه های پر شده از این نوع سیالات انجام داد. با دویدن سریع و نه آهسته روی این مواد، در آن فرو نخواهید رفت.

محلول های پودر ذرت، محلول های بوراکس، صمغ عربی، برخی از رنگ ها و بعضی از سوسپانسیون های آبی دی اکسید تیتانیوم دارای خواص دیلاتانتی هستند.

شبه پلاستیک

در سیالات شبه پلاستیکی، ویسکوزیته به زمانی که اعمال تنش انجام می شود بستگی ندارد و متناسب با اندازه و شدت نیروی وارد شده است. در این خصوصیت که وابسته به زمان هستند شبیه به دیلاتانت هستند، اما در نوع تغییر ویسکوزیته برعکس دیلاتانت هستند. چون با اعمال تنش و نیرو، گرانروی شبه پلاستیک ها کمتر و این مواد بیشتر روان تر می شوند. هر چه فشار بیشتر اعمال شود، روانیت سیال نیز بیشتر خواهد بود.

سس کچاب نمونه ی بارزی از این سیال است که با باقی ماندن در حالت عادی در ظرف، سفت است. اما وقتی به آن فشار و تنشی وارد می شود روان شده و خیلی راحت از ظرف خارج می شود. شبه پلاستیک ها را می توان در بین موادی چون محلول هایی که وزن مولکولی بالا دارند، سوسپانسیون هایی که غلظت متوسط دارند، چسب ها، گریس ها، استات سلولز، رنگ ها، سیالات بیولوژیکال، محلول هایی با مذاب پلیمری و موارد دیگر پیدا کرد.

بینگهام

نوع دیگری از سیالات غیرنیوتنی وجود دارد که پلاستیک نامیده می شوند. در این سیالات مقدار تنش اولیه در جاری شدن آن ها بسیار حائز اهمیت است. یعنی یک مقدار مشخصی از تنش (آستانه تنش برشی) برای آن ها باید وجود داشته باشد تا جریان برقرار شود. اگر میزان تنش به این آستانه نرسد، جریانی اتفاق نمی افتد. بینگهام نمونه ای از سیال پلاستیکی است.

به عنوان مثال میکرو و نانوکامپوزیت های سیلیکا پلیمری نمونه ای از سیالات بینگهام پلاستیکی است. نکته مهم در این سیالات بر خلاف سیالات نیوتنی و انواع سیالات غیر نیوتنی دیگر، رسیدن تنش به یک آستانه مشخص است که برای بقیه نیازی به این آستانه تنش نیست.

سیالات غیرنیوتنی وابسته به زمان

در این نوع از سیالات، گرانروی و ویسکوزیته با گذشت زمان در هنگام وارد آوردن نیرو و تنش برشی، تغییر می کند. دو دسته سیالات رئوپکتیک و تیکسوتروپیک در این گروه قرار می گیرند.

رئو پکتیک

در سیالات رئوپکتیک چون ویسکوزیته در طول مدت زمان اعمال تنش، افزایش می یابد، می توان یک حافظه تنشی در نظر گرفت. مانند جامدات در این سیالت، گرانروی با گذشت زمان و در طول جریان، زیاد می شود. در این سیال تغییری در سیال در نتیجه وارد آوردن نیروی ناگهانی و سریع، به وجود نیامده و گذشت زمان برای نشان داده شدن تاثیر این تنش ایجاد شده، لازم است. ازنمونه سیال رئوپکتیک جوهر پرینتر است که وقتی نیرویی در آن وارد می شود، با گذشت زمان نیروی وارد شده جوهر سفت شده و گرانروی آن زیاد می شود. خامه نیز نمونه ی دیگری از این سیال است که اگر در مدت زمانی زده شده و به آن نیرو اعمال شود، سفت شده و گرانروی بیشتری پیدا می کند.

اگر بخواهیم نرخ کرنش در طول زمان در سیالات رئوپکتیک ثابت بماند باید به زیاد کردن تنش برشی در طول این زمان اقدام کرد.

تیکسو تروپیک

خواص سیالات تیکسوتروپیک برعکس رئوپکتیک بوده و با گذشت زمان و اعمال تنش در آن ها، گرانروی کمتری پیدا کرده و بر خلاف سیال رئوپکتیک، روان تر می شوند. به عنوان مثال عسل نمونه ای از این سیال است که اگر هم زده شود با گذشت زمان ویسکوزیته کمتری پیدا کرده و روان می شود. اما با استفاده نکردن آن به مدت طولانی، این ماده سفت تر می شود.

باید توجه کرد که اگر بخواهیم نرخ کرنش در این سیالات در طول زمان ثابت بماند، باید تنش برشی را در طول زمان کاهش داد.