Defining Thixotropy
Este artículo propone tres definiciones complementarias y experimentalmente comprobables de la tixotropía para distinguirla del comportamiento viscoelástico no lineal ordinario y establecer un marco fenomenológico claro para su clasificación dentro de la taxonomía reológica.
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Imagina un frasco de pintura sentado en un estante. Es espeso, casi sólido, y se niega a moverse. Pero en el momento en que lo bates con un pincel, de repente se vuelve fluido, fluyendo fácilmente para cubrir una pared. Si dejas de batir, se espesa lentamente de nuevo, manteniendo su forma. Este comportamiento, donde un material cambia su grosor dependiendo de cuánto tiempo ha estado quieto frente a cuánto tiempo ha sido agitado, se conoce como tixotropía. Es una propiedad que se encuentra en todo, desde el kétchup y la pasta de dientes hasta los lodos de perforación y los cosméticos. Durante casi un siglo, los científicos han utilizado este término para describir tales cambios dependientes del tiempo. Sin embargo, a medida que el estudio de los fluidos complejos ha crecido, la definición se ha vuelto confusa. Muchos materiales que simplemente se estiran y se relajan como polímeros elásticos también muestran cambios dependientes del tiempo, lo que ha llevado a los investigadores a confundir la verdadera reconstrucción estructural con el comportamiento elástico ordinario. Sin una forma clara de distinguirlos, el término ha perdido su precisión, dificultando la comparación de materiales o la predicción de cómo se comportarán en el mundo real.
Dos investigadores, Yogesh Joshi y Ronald Larson, se han propuesto aclarar esta confusión. Proponen un nuevo marco práctico para definir la tixotropía, separándola claramente del comportamiento dependiente del tiempo de los materiales elásticos estándar. Su trabajo no depende de los detalles microscópicos de aquello de lo que está hecho el material, sino de cómo responde a la fuerza de una manera que pueda ser medida y repetida. Argumentan que, para que un material sea verdaderamente tixotrópico, debe hacer más que simplemente relajarse lentamente; debe experimentar un cambio estructural que requiere una cantidad masiva de deformación para revertirse.
Los autores sugieren tres formas distintas de identificar este comportamiento, que van desde un ideal teórico hasta pruebas prácticas que pueden realizarse en un laboratorio. La primera, que llaman una definición de base, describe un material que cambia su grosor basándose en su historial de movimiento pero que no tiene memoria elástica en absoluto. En esta visión idealizada, en el momento en que dejas de mover el material, el esfuerzo desaparece instantáneamente y este no intenta recuperar su forma como una banda elástica. Aunque ningún material real es perfectamente como este, el concepto sirve como un punto de referencia útil para construir modelos matemáticos.
La segunda definición es la más útil para los experimentales. Se centra en la cantidad de movimiento requerida para restablecer el material. Cuando un material tixotrópico está en reposo y de repente se bate, se requiere una enorme cantidad de estiramiento o cizallamiento para llevarlo a un flujo constante. Los investigadores descubrieron que para muchas sustancias tixotrópicas, el material debe ser deformado cientos o incluso miles de veces su propio tamaño antes de establecerse en un flujo constante. En contraste, un material elástico estándar, como una solución de polímero, suele alcanzar un estado estacionario tras haber sido estirado una cantidad mucho menor, a menudo menos de diez veces su tamaño. Si un material requiere una deformación que es vastamente mayor de lo que su propia elasticidad exigiría, es tixotrópico. Esta regla se mantiene tanto si el material es empujado por una velocidad constante o por una fuerza constante.
La tercera definición observa al material mientras reposa. Si dejas de batir un fluido tixotrópico y lo dejas descansar, su estructura interna se reconstruye, haciéndolo más duro y lento de mover. Los investigadores definen la tixotropía aquí observando que el tiempo que tarda el material en relajarse crece sin límite cuanto más tiempo pasa. En un fluido elástico normal, el tiempo que tarda en relajarse es fijo; una vez que esperas lo suficiente, el material olvida su pasado y se comporta de la misma manera cada vez. Pero en un fluido tixotrópico, cuanto más tiempo descansa, más tiempo tarda en relajarse, y este tiempo sigue aumentando mientras más esperas. Este crecimiento ilimitado en el tiempo de recuperación es una señal de que el material no solo se está relajando, sino que está reconstruyendo activamente una estructura que puede ser descompuesta nuevamente por el flujo.
Para probar estas ideas, los autores examinaron una amplia variedad de materiales de la literatura científica existente. Analizaron nanocristales de celulosa, gomas de semillas, crudos cerosos, grasas lubricantes y diversas suspensiones de arcilla y sílice. En cada caso donde el material era verdaderamente tixotrópico, los datos confirmaron sus reglas. Por ejemplo, cuando analizaron un crudo ceroso siendo cizallado continuamente, el esfuerzo necesario para mover el aceite siguió disminuyendo durante más de cuarenta y ocho horas. Al final de ese tiempo, el aceite había sido estirado más de cien mil veces su tamaño, una cifra tan grande que nunca podría explicarse por la simple elasticidad. Del mismo modo, cuando observaron suspensiones de arcilla que se dejaron reposar, el tiempo que tardaban en relajarse creció constantemente durante horas, sin mostrar signos de detenerse, demostiendo que el material estaba continuamente envejeciendo y reconstruyendo su red interna.
Los investigadores también aclararon qué no cuenta como tixotropía. Descartaron materiales que cambian debido a reacciones químicas, como el endurecimiento del cemento, porque esos cambios son permanentes y no pueden revertirse mediante el batido. También excluyeron sistemas donde la mezcla se separa en grandes capas o gotas que crecen con el tiempo, ya que estos son cambios macroscópicos en lugar de los cambios estructurales reversibles que se ven en la tixotropía. Además, señalaron que la presencia de bandas de cizallamiento (shear banding), donde un material fluye de manera desigual en diferentes capas, no es suficiente para probar la tixotropía por sí sola, ya que esto también puede ocurrir en otros tipos de fluidos.
Al establecer estos criterios claros y medibles, los autores proporcionan una forma para que los científicos e ingenieros hablen el mismo lenguaje. En lugar de adivinar si un material es tixotrópico basándose en una observación vaga, ahora pueden realizar una prueba específica: medir cuánta deformación se necesita para alcanzar un flujo constante, o observar cómo crece el tiempo de relajación mientras el material reposa. Si los números exceden los límites de la elasticidad ordinaria, el material es tixotrópico. Esta distinción es crucial para las industrias que dependen de estos materiales, desde la pintura hasta la perforación petrolera, asegurando que se elija el fluido adecuado para el trabajo correspondiente. El trabajo no pretende haber resuelto todos los misterios de los fluidos complejos, pero ofrece una base sólida y práctica para comprender uno de los comportamientos más comunes y útiles en el mundo de la materia blanda.
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