Исследователи из США заявляют, что им удалось определить особенности динамики отдельных частиц, приводящей к появлению у жидкости неньютоновского поведения, которое демонстрируется кетчупами, красками и многими другими жидкостями.

Результаты исследования, для проведения которого применялась конфокальная микроскопия и измерение сил поверхностного натяжения, могут оказаться полезными для разработки промышленного оборудования.

Нормальные, ньютоновские жидкости представляют собой вязкие жидкости, подчиняющиеся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, то есть касательное напряжение и градиент скорости линейно зависимы. Коэффициент пропорциональности между этими величинами известен как вязкость (примером ньютоновской жидкости является вода).

Однако томатный кетчуп, относящийся к неньютоновским жидкостям, остается твердым на дне пластиковой бутылки до тех пока, пока ее не сжимают, однако при сжатии бутыли происходит вызванное сдвигом разжижение, и кетчуп начинается двигаться как вязкая жидкость. Смесь кукурузного крахмала и воды, напротив, практически затвердевает при механическом воздействии – это называется «вызванное сдвигом загустевание».

Одна из гипотез, объясняющих поведение неньютоновских жидкостей, заключается в послойном движении частиц, входящих в состав такой жидкости. В случае вызванного сдвигом разжижения частицы перемещаются по обтекаемым траекториям, и число соударений, приводящих к увеличению вязкости, уменьшается, для вызванного сдвигом загустевания, напротив, увеличивается число соударений.

Однако, методы, применявшиеся для изучения неньютоновских жидкостей в прошлом, например, метод рентгеновского рассеивания, не могли однозначно подтвердить или опровергнуть гипотезу.

Рис. 1. Понимание природы поведения неньютоновских
жидкостей позволит модифицировать промышленные и
технологические процессы, протекающие с участием
таких жидкостей.

Сян Ченг (Xiang Cheng) с коллегами из Корнелского Университета выполнили эксперименты, результаты которых позволяют предположить, что гипотеза перемещающихся слоев не совсем верна. С помощью конфокального микроскопа и вискозиметра исследователи получили визуализировать движение взвешенных в воде сфер из оксида кремния и глицерина и поближе взглянуть на переходы, происходящие при вызванном сдвигом разжижении и вызванных сдвигом загустевании неньютоновских жидкостей.

В соответствии с полученным в группе Ченга результатами, степень слоистости жидкости не является определяющим фактором для неньютоновского поведения жидкости. Исследователи полагают, что разжижение происходит при сдвиге, энергия которого превышает энергию термического хаотичного броуновского движения частиц, приводящего к случайно-статистическому диспергированию частиц. Что же касается вызванного сдвигом загустевания, по словам исследователей, оно может происходить в том случае, когда взвешенные в жидкости частицы движутся, сталкиваясь друг с другом слишком быстро, и жидкость не успевает перемещаться. В этом случае частицы слипаются, образуя агрегаты, приводящие к увеличению вязкости жидкости.

Норман Вагнер (Norman Wagner) из Университета Делавара отмечает, что в группе Ченга впервые было визуализировано состояние неньютоновский жидкости, предложенное для объяснения природ вызванного сдвигом разжижения еще около 20 лет назад. Он заявляет, что результаты эксперимента могут пролить свет на микромеханику сложных жидкостей, однако Джон Брэди (John Brady) из Калифорнийского Технологического Института полагает, что, несмотря на несомненную ценность в разработке экспериментального метода для изучения неньютоновских жидкостей и полученных результатов, необходимо провести еще более полный анализ этих данных – Брэди заявляет, что Ченг и его коллеги опирались на чрезвычайно упрощенное уравнение, описывающее релаксацию частиц в суспензии.