Defining Thixotropy
Questo articolo propone tre definizioni complementari e sperimentalmente verificabili di tissotropia per distinguerla dal comune comportamento viscoelastico non lineare ed établire un quadro fenomenologico chiaro per la sua classificazione all'interno della tassonomia reologica.
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Immaginate un barattolo di vernice appoggiato su uno scaffale. È densa, quasi solida, e si rifiuta di muoversi. Ma nel momento in cui la mescolate con un pennello, diventa improvvisamente fluida, scorrendo facilmente per rivestire una parete. Se smettete di mescolare, si ispessisce lentamente di nuovo, mantenendo la sua forma. Questo comportamento, in cui un materiale cambia la sua viscosità a seconda di quanto tempo è rimasto fermo rispetto a quanto tempo è stato agitato, è noto come tissotropia. È una proprietà presente in tutto, dal ketchup al dentifricio, fino ai fanghi di perforazione e ai cosmetici. Per quasi un secolo, gli scienziati hanno usato questo termine per descrivere tali cambiamenti dipendenti dal tempo. Tuttavia, con la crescita dello studio dei fluidi complessi, la definizione è diventata confusa. Molti materiali che semplicemente si tendono e si rilassano come polimeri gommosi mostrano anch'essi cambiamenti dipendenti dal tempo, portando i ricercatori a confondere il vero ricostruirsi strutturale con l'ordinaria elasticità. Senza un modo chiaro per distinguerli, il termine ha perso la sua precisione, rendendo difficile confrontare i materiali o prevedere come si comporteranno nel mondo reale.
Due ricercatori, Yogesh Joshi e Ronald Larson, si sono posti l'obiettivo di chiarire questa confusione. Essi propongono un nuovo quadro pratico per definire la tissotropia, separandola chiaramente dal comportamento dipendente dal tempo dei comuni materiali elastici. Il loro lavoro non si basa sui dettagli microscopici di ciò di cui è fatto il materiale, quanto piuttosto su come esso risponde alla forza in un modo che sia misurabile e ripetibile. Essi sostengono che, affinché un materiale sia veramente tissotropico, deve fare di più del semplice rilassarsi lentamente; deve subire un cambiamento strutturale che richiede una quantità massiccia di deformazione per essere invertito.
Gli autori suggeriscono tre modi distinti per identificare questo comportamento, che spaziano da un ideale teorico a test pratici che possono essere eseguiti in un laboratorio. Il primo, che chiamano una definizione di base, descrive un materiale che cambia la sua viscosità in base alla sua storia di movimento ma che non possiede alcuna memoria elastica. In questa visione idealizzata, nel momento in cui si smette di muovere il materiale, lo sforzo svanisce istantaneamente e il materiale non tenta di tornare alla forma originale come un elastico. Sebbene nessun materiale reale sia perfettamente simile a questo, il concetto serve come utile punto di riferimento per costruire modelli matematici.
La seconda definizione è quella più utile per gli sperimentali. Si concentra sulla quantità di movimento necessaria per resettare il materiale. Quando un materiale tissotropico è a riposo e viene improvvisamente mescolato, è necessaria un'enorme quantità di allungamento o taglio per portarlo a un flusso costante. I ricercatori hanno scoperto che per molte sostanze tissotropiche, il materiale deve essere deformato di centinaia o persino migliaia di volte la propria dimensione prima di assestarsi in un flusso costante. Al contrario, un normale materiale elastico, come una soluzione polimerica, raggiunge solitamente uno stato stazionario dopo essere stato allungato di una quantità molto minore, spesso meno di dieci volte la sua dimensione. Se un materiale richiede una deformazione (strain) vastamente superiore a quanto la sua sola elasticità richiederebbe, allora è tissotropico. Questa regola vale sia che il materiale venga spinto da una velocità costante o da una forza costante.
Il terzo metodo osserva il materiale mentre resta immobile. Se si smette di mescolare un fluido tissotropico e lo si lascia riposare, la sua struttura interna si ricostruisce, rendendolo più duro e lento da muovere. I ricercatori definiscono la tissotropia qui osservando che il tempo necessario affinché il materiale si rilassi cresce senza limiti il più a lungo che resta fermo. In un normale fluido elastico, il tempo necessario per rilassarsi è fisso; una volta atteso abbastanza tempo, il materiale dimentica il suo passato e si comporta sempre nello stesso modo. Ma in un fluido tissotropico, più a lungo riposa, più lungo è il tempo necessario per rilassarsi, e questo tempo continua ad aumentare finché si continua ad attendere. Questa crescita illimitata nel tempo di recupero è la firma del fatto che il materiale non si sta solo rilassando, ma sta attivamente ricostruendo una struttura che può essere nuovamente distrutta dal flusso.
Per testare queste idee, gli autori hanno esaminato una vasta gamma di materiali tratti dalla letteratura scientifica esistente. Hanno analizzato nanocristalli di cellulosa, gomme di semi, oli grezzi cerosi, grassi lubrificanti e varie sospensioni di argilla e silice. In ogni caso in cui il materiale era veramente tissotropico, i dati hanno confermato le loro regole. Ad esempio, quando hanno osservato un olio grezzo ceroso sottoposto a taglio continuo, lo sforzo necessario per muovere l'olio continuava a diminuire per oltre quarantotto ore. Alla fine di quel tempo, l'olio era stato allungato per più di centomila volte la sua dimensione, un numero così grande che non potrebbe mai essere spiegato dalla semplice elasticità. Allo stesso modo, quando hanno osservato sospensioni di argilla lasciate a riposare, il tempo necessario per il loro rilassamento cresceva costantemente per ore, senza mostrare segni di arresto, provando che il materiale stava continuamente invecchiando e ricostruendo la sua rete interna.
I ricercatori hanno anche chiarito cosa non conta come tissotropia. Hanno escluso i materiali che cambiano a causa di reazioni chimiche, come il cemento che indurisce, poiché tali cambiamenti sono permanenti e non possono essere invertiti dal mescolamento. Hanno inoltre escluso i sistemi in cui la miscela si separa in grandi strati o goccioline che crescono nel tempo, poiché questi sono cambiamenti macroscopici piuttosto che le variazioni strutturali reversibili tipiche della tissotropia. Inoltre, hanno notato che la presenza di "shear banding" (bandeggiamento per taglio), dove un materiale fluisce in modo disomogeneo in diversi strati, non è sufficiente a provare la tissotropia di per sé, poiché ciò può accadere anche in altri tipi di fluidi.
Stabilendo questi criteri chiari e misurabili, gli autori forniscono un modo affinché scienziati e ingegneri possano parlare la stessa lingua. Invece di indovinare se un materiale è tissotropico basandosi su un'osservazione vaga, possono ora eseguire un test specifico: misurare quanta deformazione è necessaria per raggiungere un flusso stazionario, o osservare come cresce il tempo di rilassamento mentre il materiale riposa. Se i numeri superano i limiti dell'ordinaria elasticità, il materiale è tissotropico. Questa distinzione è cruciale per le industrie che si affidano a questi materiali, dalla verniciatura alla perforazione petrolifera, garantendo che il fluido giusto sia scelto per il compito giusto. Il lavoro non pretende di aver risolto ogni mistero dei fluidi complessi, ma offre una base solida e pratica per comprendere uno dei comportamenti più comuni e utili della materia soffice.
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