Defining Thixotropy

棚の上に置かれた一瓶の塗料を想像してみてください。それは厚みがあり、ほとんど固形状態で、動こうとしません。しかし、ブラシでかき混ぜた瞬間に、それは突然流動的になり、壁を覆うように容易に流れます。かき混ぜるのをやめると、再びゆっくりと厚みを増し、その形状を維持します。このように、静止していた時間の長さと、かき混ぜられた時間の長さによって粘度が変化する振る舞いは、チキソトロピー（thixotropy）として知られています。この性質は、ケチャップや歯磨き粉から、掘削泥水や化粧品に至るまで、あらゆるものに見られます。約一世紀にわたり、科学者たちはこのような時間依存的な変化を説明するためにこの用語を使用してきました。しかし、複雑流体の研究が進むにつれ、その定義は曖昧になってきました。ゴムのようなポリマーのように、単に伸び縮みするだけの多くの材料も時間依存的な変化を示すため、研究者たちは、真の構造再構築と、通常の弾性挙動を混同してしまうことがあります。明確に区別する方法がないため、この用語は精度を失い、材料を比較したり、現実世界での挙動を予測したりすることを困難にしています。

二人の研究者、ヨゲシュ・ジョシとロナルド・ラーソンは、この混乱を解消しようとしています。彼らは、チキソトロピーを定義するための新しい実用的な枠組みを提案し、それを標準的な弾性材料の時間依存的な挙動から明確に分離しています。彼らの研究は、その材料が何でできているかという微視的な詳細には依存せず、力が加わった際にどのように反応するかという、測定可能で再現可能な方法に基づいています。彼らは、ある材料が真にチキソトロピー的であるためには、単にゆっくりと緩和するだけでなく、その状態を逆転させるために膨大な変形を必要とするような構造変化を起こさなければならないと主張しています。

著者らは、理論的な理想形から実験室で行える実用的なテストに至るまで、この挙動を特定するための三つの異なる方法を提案しています。第一に、彼らが「ベースライン定義」と呼ぶものは、動きの履歴に基づいて厚みが変化するものの、弾性記憶を全く持たない材料を記述したものです。この理想化された視点では、材料の動きを止めた瞬間に応力は即座に消失し、ゴムバンドのように跳ね返ろうとすることはありません。現実の材料が完全にこれに一致することはありませんが、この概念は数学的モデルを構築するための有用な参照点として機能します。

第二の定義は、実験者にとって最も有用なものです。それは、材料をリセットするために必要な移動量に焦点を当てています。チキソトロピー性のある材料は、静止状態から突然かき混ぜられたとき、定常な流れに達するまでに、膨大な量の引き伸ばしやせん断を必要とします。研究者たちは、多くのチキソトロピー性物質において、材料が一定の流れに落ち着く前に、自身のサイズの数百倍、あるいは数千倍もの変形を必要とすることを発見しました。対照的に、ポリマー溶液のような標準的な弾性材料は、通常、自身のサイズの10倍に満たない程度の小さな引き伸ばしによって定常状態に達します。もしある材料が、その弾性だけで要求される量よりも遥かに大きな歪みを必要とするならば、それはチキソトロピー的です。この規則は、材料が一定の速度で押されている場合でも、一定の力で押されている場合でも成立します。

第三の定義は、材料が静止している状態に着目します。チキソトロピー性のある流体のかき混ぜをやめて休ませると、その内部構造が再構築され、動きにくく、遅くなります。研究者たちは、材料がリラックスするのにかかる時間が、静止している時間が長くなるにつれて無限に増大するという観察によって、ここでのチキソトロピーを定義しています。通常の弾性流体では、リラックスする時間は固定されており、十分に待てば、材料は過去を忘れ、毎回同じように振る舞います。しかし、チキソトロピー性のある流体では、休ませている時間が長いほど、リラックスするのにかかる時間も長くなり、その時間は待ち続ける限り増え続けます。この回復にかかる時間の無制限な増大は、その材料が単に緩和しているのではなく、流れによって再び破壊され得る構造を能動的に再構築していることの証左なのです。

これらのアイデアを検証するため、著者らは既存の科学文献から幅広い材料を調査しました。彼らは、セルロースナノクリスタル、種子ガム、ワックス成分を含む原油、潤滑グリース、そして様々な粘土やシリカの懸濁液を調べました。その材料が真にチキソトロピー的であったすべてのケースにおいて、データは彼らの規則を裏付けました。例えば、連続的にせん断されているワックス成分を含む原油を調べた際、その油を動かすのに必要な応力は48時間以上にわたって低下し続けました。その時間の終わりまでに、その油は自身のサイズの10万倍を超える引き伸ばしを受けており、これは単純な弾性では決して説明できない数値でした。同様に、粘土懸濁液を静置させた際、リラックスするのにかかる時間は数時間にわたって着実に増加しており、停止する兆しを見せませんでした。これは、材料が継続的にエイジング（経年変化）し、内部ネットワークを再構築していることを証明しています。

研究者たちはまた、何がチキソトロピーに含まれないのかについても明確にしました。彼らは、セメントの硬化のように、化学反応によって変化する材料（それらの変化は可逆的ではなく、かき混ぜることでは元に戻せないため）を除外しました。また、混合物が時間の経過とともに大きな層や液滴へと分離する系も、これらはマクロな変化であり、チキソトロピーに見られるような可逆的な構造変化ではないため、除外しました。さらに、材料が不均一に層状に流れる「せん断帯形成（shear banding）」の存在は、他の種類の流体でも起こり得るため、それ自体ではチキソトロピーを証明する十分な根拠にはならないと指摘しました。

明確で測定可能な基準を確立することで、著者らは科学者や技術者が共通の言語で話すための手段を提供しています。材料がチキソトロピー的かどうかを漠然とした観察に基づいて推測する代わりに、彼らは今や特定のテストを実行できます。すなわち、定常流に達するためにどれだけの歪みが必要かを測定するか、あるいは材料が静止している間にリラックス時間がどのように増大するかを観察することです。もしその数値が通常の弾性の限界を超えているならば、その材料はチキソトロピー的です。この区別は、塗装から石油掘削に至るまで、これらの材料に依存する産業にとって極めて重要であり、適切な仕事に対して適切な流体が選ばれることを保証します。彼らの研究は、複雑流体のあらゆる謎を解明したと主張するものではありませんが、ソフトマターの世界における最も一般的かつ有用な振る舞いの一つを理解するための、強固で実用的な基礎を提供するものです。