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時間依存性粘度：チキソトロピーとレオペキシー

1927

Herbert Freundlich

（画像はイメージです）

チキソトロピーとレオペキシーは、粘度チキソトロピー流体の粘度は、一定のせん断応力下では時間とともに減少する。ストレス（例：ヨーグルトはかき混ぜるとサラサラになる）。レオペクティック流体（または反チキソトロピー流体）は、一定のせん断力の下で時間の経過とともに粘度が増加する（例：一部の潤滑油）。これらの効果は可逆的であり、一定期間静置すると流体は元の状態に戻る。

チキソトロピーとレオペキシーはせん断減粘性そしてせん断増粘後者はせん断速度に応じて粘度がどのように変化するかを説明するのに対し、チキソトロピーとレオペキシーは一定速度でのせん断の持続時間に応じて粘度がどのように変化するかを説明する。その根本的な原因は、流体の微細構造における可逆的な変化であり、この変化は時間をかけて起こる。

チキソトロピー性流体では、内部構造（例えば、凝集粒子のネットワーク）がせん断によって破壊されます。この破壊は瞬間的ではないため、せん断が続くにつれて粘度は徐々に低下します。せん断が除去されると、構造はゆっくりと再構築され、粘度は元の値に戻ります。この時間遅延は、塗料などの用途において非常に重要です。レオペクシーはこれとは正反対で、はるかにまれな現象です。この場合、せん断によって内部構造の形成が時間とともに促進され、粘度が徐々に増加します。例えば、一部の懸濁液では、穏やかで規則的なせん断によって、粒子が静止状態よりも早く、より秩序だった流動抵抗のある状態に組織化されることがあります。この時間依存的な挙動は、せん断応力とせん断速度の関係を示すグラフにヒステリシスループとして現れることがよくあります。

流体力学, 材料科学, プロセス最適化, 品質管理, レオロジー

UNESCO Nomenclature: 2210

機械工学

タイプ

物理的資産

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

ゲルとゾルの観察、特にコロイド化学における観察
可逆的なゾルゲル転移に関するペテルフィとフロインドリッヒの研究
単純なせん断減粘／増粘挙動との区別

アプリケーション

チキソトロピー性塗料は、攪拌は容易だが、壁面に塗布すると粘度が増し、液だれを防ぐ。
塗布しやすく、部品を所定の位置に保持するはんだペースト
関節内の生物学的滑液は、運動中に薄くなる。
ポンプで送液すると液状化し、送液停止時にゲル化する掘削泥水
高せん断環境下で粘度が増し、より優れた保護性能を発揮するレオペクティック潤滑剤

特許:

潜在的なイノベーションのアイデア

smart coatings that can be temporarily liquefied by vibration for repair or removal
injectable medications that remain liquid for a set time before gelling inside the body
self-healing gels that liquefy under stress to fill a crack and then re-solidify
reconfigurable robotic joints using fluids that stiffen over time with movement
timed-release agricultural sprays that thin during application but thicken on leaves for better adhesion
lubricants that slowly thicken during operation to compensate for wear in machinery
shock absorbers with time-dependent fluid response for customized damping profiles
food items that change texture during chewing for a unique sensory experience

Related to: thixotropy, rheopexy, time-dependent 粘度, rheology, 非ニュートン流体、ヒステリシスループ、ヨーグルト、塗料。

歴史的背景

Laboratory pH measurement with a digital meter in analytical chemistry.

pHは、水素イオン活性[latex]a_{H^+}[/latex]の負の常用対数として正式に定義されます。式は[latex]pH = -log_{10}(a_{H^+})[/latex]です。活性は、分子間力を考慮した水素イオンの実効濃度であり、無次元です。希薄溶液の場合、活性は[latex]H^+[/latex]イオンのモル濃度とほぼ等しくなるため、計算が簡略化されます。

Laboratory experiment on lanthanide elements in inorganic chemistry.

ランタニド収縮

ランタノイド収縮とは、ランタノイド元素（ランタンからルテチウムまで）の原子半径およびイオン半径が原子番号の増加に伴って着実に減少する現象である。この現象は、4f電子による原子核電荷の遮蔽効果が低いことに起因する。その結果、ランタノイドに続く第6周期元素は、第5周期元素と同様に、予想外に小さくなる。

Research laboratory focused on quantum statistics applications in semiconductor physics and lasers.

量子統計学

量子統計学は、同一粒子の区別不可能性を説明するために古典統計力学を修正する。量子統計学は2種類に分けられる。1つはフェルミオン（電子のような半整数スピン粒子）に関するフェルミ・ディラック統計で、これはパウリの排他原理に従う。もう1つはボソン（光子のような整数スピン粒子）に関するボーズ・アインシュタイン統計で、これらは同じ量子状態を占めることができる。この区別は、低温高密度の環境において極めて重要となる。

時間依存性粘度：チキソトロピーとレオペキシー

Scanning tunneling microscope in a laboratory setting demonstrating quantum tunneling principles.

量子トンネル効果

量子力学における現象の一つで、波動関数がポテンシャルエネルギー障壁を透過できる現象である。古典力学では、障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを持たない粒子は反射される。しかし、粒子は波動性を持つため、障壁の反対側に粒子が現れる確率はゼロではなく、実質的に障壁を「トンネル効果」によって通過する可能性がある。

Scientist experimenting with non-Newtonian fluid viscosity in a laboratory setting.

非ニュートン流体の定義

非ニュートン流体とは、加えられたせん断応力によって粘度が変化する流体のことです。粘度が一定のニュートン流体とは異なり、非ニュートン流体の流動特性は、せん断応力（τ）とせん断速度（γ）の間の線形関係では表されません。この依存性は、せん断減粘（応力とともに粘度が低下する）またはせん断増粘（応力とともに粘度が増加する）として現れます。

Thermodynamics laboratory with various thermometers and calibration equipment.

熱力学の第零法則

この法則は熱平衡の概念を確立する。2つの系がそれぞれ別の独立した系と熱平衡状態にある場合、それらの系同士も熱平衡状態にある。この推移律により、温度を状態関数として正式に定義することが可能となり、温度計や普遍的な温度目盛を構築するための合理的な根拠となる。

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Laboratory scene with scientist performing molecular dynamics simulations using Lennard-Jones potential.

レナード＝ジョーンズの可能性

2 つの中性原子または分子間の相互作用のポテンシャルエネルギーを近似する、シンプルで広く使用されている数学モデルです。ファンデルワールス力を表す長距離引力項 ([latex]propto r^{-6}[/latex]) と、パウリ反発を表す急峻な短距離斥力項 ([latex]propto r^{-12}[/latex]) を組み合わせています。式は [latex]V_{LJ}(r) = 4epsilon [(frac{sigma}{r})^{12} - (frac{sigma}{r})^6][/latex] です。

Demonstration of shear-thinning behavior in a laboratory with ketchup.

せん断減粘性（擬塑性）

せん断減粘性、または擬塑性は、流体の粘度がせん断応力の増加に伴って低下する非ニュートン流体挙動です。ケチャップや塗料など、多くの一般的な物質がこの性質を示します。静止状態では粘度が高いものの、振ったり、かき混ぜたり、広げたりすると流動性が高まります。この現象は、オストワルド・ド・ワーレのべき乗則関係によってモデル化されることがよくあります。

Physicist's workspace with Schrödinger Equation and quantum mechanics materials.

シュレーディンガー方程式

これは量子力学における基本的な方程式であり、物理系の量子状態が時間とともにどのように変化するかを記述するものです。これは波動関数 [latex]Psi(x, t)[/latex] に関する線形偏微分方程式です。時間依存バージョンは [latex]ihbarfrac{partial}{partial t}Psi = hat{H}Psi[/latex] であり、[latex]hat{H}[/latex] は系の全エネルギーを表すハミルトニアン演算子です。

Quantum mechanics laboratory with physicist analyzing momentum operators.

量子運動量演算子

量子力学では、運動量はベクトル演算子で表される観測量です。位置基底では、運動量演算子は [latex]hat{vec{p}} = -ihbarnabla[/latex] で与えられます。ここで、[latex]hbar[/latex] は換算プランク定数、[latex]nabla[/latex] は勾配演算子です。運動量の保存は、並進対称性を持つ系の場合、ハミルトニアン演算子が運動量演算子と可換であるという事実に対応します。[latex][hat{H}, hat{vec{p}}] = 0[/latex]。

Physicist analyzing particle model in vintage laboratory, Heisenberg Uncertainty Principle.

ハイゼンベルクの不確定性原理

粒子の相補的な物理的性質の特定のペアを同時に完全に正確に知ることは不可能です。最も一般的な例は、位置 [latex]x[/latex] と運動量 [latex]p[/latex] です。原理によれば、それらの不確実性の積 [latex]Delta x[/latex] と [latex]Delta p[/latex] は、特定の値 [latex]Delta x Delta p ge frac{hbar}{2}[/latex] 以上でなければなりません。

Light-emitting diode testing in solid state physics laboratory.

PN接合エレクトロルミネッセンス

発光ダイオードは半導体のpn接合です。適切な順方向電圧を印加すると、n型半導体側から電子が、p型半導体側から正孔が空乏層に注入されます。これらの電子と正孔が再結合する際にエネルギーが放出されます。直接遷移型半導体では、このエネルギーは光子として効率的に放出され、この現象はエレクトロルミネセンスとして知られています。

Laboratory experiment measuring electrochemical potential in physical chemistry.

電気化学ポテンシャルの基本方程式

電気化学ポテンシャル [latex]bar{mu}_i[/latex] は、系内の荷電種 `i` の全エネルギーを定量化します。これは、濃度と固有の特性を考慮した化学ポテンシャル [latex]mu_i[/latex] と静電ポテンシャルエネルギー [latex]z_i F phi[/latex] を組み合わせたものです。式は [latex]bar{mu}_i = mu_i + z_i F phi[/latex] で、ここで [latex]z_i[/latex] はイオンの電荷、[latex]F[/latex] はファラデー定数、[latex]phi[/latex] は局所的な電位です。