Chất lỏng Giả dẻo (Pseudoplastic Fluid)

Chất lỏng giả dẻo (Pseudoplastic Fluid), còn được gọi là chất lỏng “mỏng khi cắt” (shear-thinning), là một loại chất lỏng phi Newton mà độ nhớt của nó giảm khi tốc độ cắt hoặc ứng suất cắt tác dụng lên nó tăng lên. Nói một cách đơn giản, chất lỏng này càng được khuấy hoặc tác động mạnh thì càng trở nên loãng và dễ chảy hơn. Đây là loại chất lỏng phi Newton phổ biến nhất trong đời sống và công nghiệp.

Đặc điểm

Độ nhớt biểu kiến giảm: Đây là đặc tính cốt lõi. Độ nhớt biểu kiến (apparent viscosity), ký hiệu là $\eta$, không phải là một hằng số như ở chất lỏng Newton. Thay vào đó, nó là một hàm số giảm theo tốc độ cắt ($\dot{\gamma}$). Khi tốc độ cắt bằng không, chất lỏng có độ nhớt cao nhất; khi tốc độ cắt tăng, độ nhớt giảm dần.
Không có giới hạn chảy (yield stress): Khác với chất dẻo Bingham, chất lỏng giả dẻo không yêu cầu một ngưỡng ứng suất tối thiểu để bắt đầu dòng chảy. Chúng sẽ chảy ngay khi có bất kỳ lực nào tác động, dù là nhỏ nhất.
Tính thuận nghịch tức thời: Khi lực tác động được loại bỏ (tốc độ cắt giảm về không), độ nhớt của chất lỏng sẽ ngay lập tức tăng trở lại trạng thái có độ nhớt cao ban đầu. Quá trình giảm và phục hồi độ nhớt này là thuận nghịch và gần như tức thời.
Sự độc lập với thời gian: Đối với một chất lỏng giả dẻo lý tưởng, độ nhớt chỉ phụ thuộc vào độ lớn của tốc độ cắt tại chính thời điểm đó, chứ không phụ thuộc vào việc lực đã tác động trong bao lâu. Đặc điểm này phân biệt nó với các chất lỏng thixotropic, là những chất lỏng cũng “mỏng khi cắt” nhưng độ nhớt còn phụ thuộc vào cả thời gian chịu tác động của lực.

Chắc chắn rồi, tôi đã xem qua và hiệu chỉnh lại section bạn gửi. Dưới đây là phiên bản đã được chỉnh sửa và bổ sung để mạch lạc, chính xác và dễ hiểu hơn.

Mô hình toán học

Mối quan hệ phi tuyến giữa ứng suất cắt ($\tau$) và tốc độ cắt ($\dot{\gamma}$) của chất lỏng giả dẻo được mô tả bởi nhiều mô hình toán học khác nhau. Mỗi mô hình có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại chất lỏng và dải tốc độ cắt khác nhau.

- Mô hình Luật Lũy thừa (Power Law Model) hay Ostwald-de Waele: Đây là mô hình đơn giản và thông dụng nhất.
  $\tau = K(\dot{\gamma})^n$
  
  Trong đó:
  - $\tau$: Ứng suất cắt (đơn vị Pascal, Pa).
  - $\dot{\gamma}$: Tốc độ cắt (đơn vị nghịch đảo giây, s⁻¹).
  - $K$: Chỉ số độ đặc (consistency index).
  - $n$: Chỉ số hành vi dòng chảy (flow behavior index). Đối với chất lỏng giả dẻo, chỉ số này nằm trong khoảng $0 < n < 1$. Khi $n=1$, phương trình mô tả chất lỏng Newton.
  Độ nhớt biểu kiến ($\eta$) theo mô hình này là:
  
  $\eta = \frac{\tau}{\dot{\gamma}} = K(\dot{\gamma})^{n-1}$
  
  Do $n-1 < 0$, công thức này cho thấy độ nhớt $\eta$ giảm khi tốc độ cắt $\dot{\gamma}$ tăng. Hạn chế chính của mô hình này là nó không mô tả được vùng độ nhớt không đổi ở tốc độ cắt rất thấp (khi $\dot{\gamma} \to 0$) và rất cao (khi $\dot{\gamma} \to \infty$).

Mô hình Cross và Carreau: Để khắc phục nhược điểm của mô hình Luật Lũy thừa, các mô hình như Cross và Carreau được sử dụng để mô tả chính xác hơn hành vi của chất lỏng trên một dải tốc độ cắt rộng. Chúng có khả năng mô tả hai vùng “Newton” (độ nhớt không đổi) ở tốc độ cắt rất thấp và rất cao.

Mô hình Cross: $\eta = \eta_{\infty} + \frac{\eta_0 – \eta_{\infty}}{1 + (k\dot{\gamma})^m}$
Mô hình Carreau: $\eta = \eta_{\infty} + (\eta_0 – \eta_{\infty})(1 + (\lambda\dot{\gamma})^2)^{\frac{n-1}{2}}$

Trong các công thức trên:

$\eta_0$: Độ nhớt ở tốc độ cắt bằng không (zero-shear viscosity).
$\eta_{\infty}$: Độ nhớt ở tốc độ cắt vô hạn (infinite-shear viscosity).
$k, \lambda, m, n$: Là các hằng số thực nghiệm đặc trưng cho từng loại chất lỏng.

Ví dụ trong thực tế

Chất lỏng giả dẻo cực kỳ phổ biến trong cuộc sống hàng ngày và các ứng dụng công nghiệp, thường được ứng dụng chính vì đặc tính này.

Thực phẩm: Sốt cà chua (ketchup) đặc trong chai nhưng dễ dàng chảy ra khi lắc mạnh. Tương tự, mayonnaise, mù tạt, sữa chua, kem và nhiều loại nước sốt khác cũng thể hiện tính chất này.
Sản phẩm chăm sóc cá nhân: Kem đánh răng dễ dàng bơm ra khỏi tuýp nhưng đủ đặc để đứng trên bàn chải. Dầu gội, sữa tắm, gel cạo râu và sơn móng tay cũng là những ví dụ điển hình.
Vật liệu sinh học: Máu là một ví dụ phức tạp, nhưng nó thể hiện tính chất “mỏng khi cắt” do sự biến dạng và sắp xếp của các tế bào hồng cầu khi chảy trong các mạch máu hẹp. Hoạt dịch (synovial fluid) trong các khớp xương cũng có tính chất này để bôi trơn hiệu quả khi chuyển động.
Ứng dụng công nghiệp: Sơn và mực in được thiết kế để đặc khi chứa trong hộp nhưng phải loãng ra để dễ dàng quét hoặc phun lên bề mặt. Các dung dịch polymer trong sản xuất nhựa, bùn khoan trong ngành dầu khí, và nhiều loại keo dán cũng là chất lỏng giả dẻo.

Cơ chế vi mô

Hành vi “mỏng khi cắt” của chất lỏng giả dẻo có thể được giải thích bằng sự thay đổi cấu trúc bên trong của vật liệu ở cấp độ vi mô khi chịu tác động của lực cắt.

Đối với dung dịch polymer: Ở trạng thái nghỉ, các chuỗi polymer dài tồn tại ở dạng các cuộn rối ngẫu nhiên, chiếm thể tích lớn và dễ vướng vào nhau, tạo ra lực cản dòng chảy lớn (độ nhớt cao). Khi có lực cắt tác động, các chuỗi polymer này bắt đầu duỗi ra và tự định hướng song song với phương của dòng chảy. Sự sắp xếp có trật tự này làm giảm đáng kể sự va chạm và vướng víu giữa các chuỗi, cho phép chúng trượt qua nhau dễ dàng hơn, dẫn đến độ nhớt của hệ giảm xuống.
Đối với huyền phù (Suspensions): Các hạt rắn nhỏ phân tán trong chất lỏng có xu hướng kết tụ lại với nhau thành các cụm (aggregates) hoặc cấu trúc mạng lưới yếu khi ở trạng thái tĩnh. Các cấu trúc này “nhốt” một phần chất lỏng và cản trở dòng chảy. Khi có lực cắt, năng lượng được cung cấp sẽ phá vỡ các cụm này, giải phóng chất lỏng bị giam giữ và cho phép các hạt riêng lẻ di chuyển tự do hơn. Kết quả là sức cản tổng thể của hệ giảm, và độ nhớt cũng giảm theo.

Chắc chắn rồi, tôi đã hoàn thiện việc chỉnh sửa và bổ sung cho section cuối cùng này. Tôi đã giữ nguyên đoạn kết luận và các phần quan trọng khác theo yêu cầu của bạn.

Ứng dụng

Tính chất “mỏng khi cắt” độc đáo của chất lỏng giả dẻo là nền tảng cho vô số ứng dụng thực tiễn, nơi người ta muốn vật liệu đặc ở trạng thái nghỉ và loãng khi chịu tác động.

Sơn và Mực in: Sơn cần có độ nhớt cao trong hộp để các hạt màu không bị lắng xuống và không bị chảy xệ (sagging) khi vừa sơn lên bề mặt thẳng đứng. Tuy nhiên, khi dùng chổi quét hoặc phun, lực cắt làm sơn loãng ra, giúp nó chảy đều, tạo lớp phủ mịn. Ngay khi lực tác động dừng lại, độ nhớt tăng trở lại, cố định lớp sơn. Tương tự, mực in cần loãng để truyền từ trục in lên giấy nhưng phải đặc lại ngay để nét in sắc nét, không bị nhòe.
Công nghiệp thực phẩm: Sốt cà chua (ketchup) là ví dụ kinh điển. Nó đủ đặc để không chảy tràn trên đĩa nhưng dễ dàng chảy ra khỏi chai khi lắc mạnh. Các sản phẩm như mayonnaise, nước sốt salad, và sữa chua cũng được thiết kế với đặc tính này để dễ bơm, rót và giữ được hình dạng mong muốn trên món ăn.
Dược phẩm và Mỹ phẩm: Nhiều loại kem bôi da và thuốc mỡ được bào chế dưới dạng giả dẻo để dễ lấy ra khỏi tuýp và thoa đều trên da. Các loại gel, dầu gội, kem đánh răng cũng có tính chất này, giúp chúng vừa dễ sử dụng vừa không bị chảy lỏng khi đặt lên tay hoặc bàn chải.
Công nghiệp Dầu khí: Bùn khoan được sử dụng trong giếng khoan dầu. Nó cần có độ nhớt cao ở tốc độ cắt thấp để có thể giữ các mảnh vụn đá lơ lửng và đưa chúng lên bề mặt khi quá trình khoan tạm dừng. Ngược lại, khi máy khoan hoạt động, bùn phải loãng ra để giảm ma sát, bôi trơn mũi khoan và dễ dàng được bơm tuần hoàn.

Phân biệt với các chất lỏng phi Newton khác

Điều quan trọng là phải phân biệt chất lỏng giả dẻo với các loại chất lỏng phi Newton khác dựa trên mối quan hệ giữa độ nhớt và ứng suất/tốc độ cắt.

So với Chất lỏng Newton: Đơn giản nhất, chất lỏng Newton (ví dụ: nước, dầu khoáng) có độ nhớt không đổi, không phụ thuộc vào lực tác động.
So với Chất lỏng giãn nở (Dilatant/Shear-Thickening): Đây là hành vi hoàn toàn ngược lại. Độ nhớt của chúng tăng lên khi tốc độ cắt tăng. Ví dụ điển hình là hỗn hợp bột ngô và nước.
So với Chất dẻo Bingham (Bingham Plastic): Chất lỏng này cần một ngưỡng ứng suất tối thiểu, gọi là giới hạn chảy (yield stress), để bắt đầu chảy. Dưới ngưỡng này, nó hoạt động như một chất rắn. Kem đánh răng và sốt mayonnaise đôi khi cũng được mô tả gần với mô hình này.
So với Chất lưu biến (Thixotropic): Cả hai đều là “mỏng khi cắt”, nhưng sự khác biệt cốt lõi là sự phụ thuộc vào thời gian. Độ nhớt của chất lỏng giả dẻo chỉ phụ thuộc vào tốc độ cắt *tại thời điểm đó*. Trong khi đó, độ nhớt của chất lưu biến giảm dần theo *thời gian* chịu một tốc độ cắt không đổi và cần thời gian để phục hồi. Sốt cà chua thực chất là một ví dụ có cả hai tính chất: giả dẻo và lưu biến.

Kết luận

Chất lỏng giả dẻo là một loại chất lỏng phi Newton quan trọng với nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp. Hiểu rõ tính chất “mỏng khi cắt”, cơ chế vi mô và các mô hình toán học mô tả chúng là điều cần thiết để thiết kế, tối ưu hóa và kiểm soát các sản phẩm và quy trình công nghệ liên quan đến loại vật liệu đặc biệt này.

Đo độ nhớt của chất lỏng giả dẻo

Việc đo lường đặc tính của chất lỏng giả dẻo phức tạp hơn so với chất lỏng Newton vì độ nhớt của chúng là một hàm của tốc độ cắt. Do đó, không thể chỉ báo cáo một giá trị độ nhớt duy nhất. Thay vào đó, người ta thường đo và vẽ đồ thị độ nhớt theo một dải tốc độ cắt. Các thiết bị chuyên dụng như nhớt kế (viscometer) và lưu biến kế (rheometer) được sử dụng cho mục đích này.

Nhớt kế quay (Rotational Viscometer/Rheometer): Đây là phương pháp phổ biến và linh hoạt nhất. Một bộ phận hình học (gọi là trục quay, spindle) được nhúng vào mẫu và quay ở một tốc độ xác định. Lực cản của chất lỏng tạo ra một mô-men xoắn lên trục quay. Thiết bị sẽ đo mô-men xoắn này (tương ứng với ứng suất cắt) tại các tốc độ quay khác nhau (tương ứng với tốc độ cắt) để xây dựng đường cong lưu biến. Các dạng hình học phổ biến bao gồm:
- Đồng tâm xi lanh (Couette): Mẫu nằm giữa hai xi lanh đồng tâm, một trong hai sẽ quay.
- Nón và đĩa (Cone and Plate): Một hình nón có góc rất nhỏ quay trên một đĩa phẳng. Cấu hình này có ưu điểm là tạo ra tốc độ cắt gần như đồng nhất trong toàn bộ mẫu.
- Đĩa song song (Parallel Plates): Hai đĩa song song cách nhau một khoảng xác định.
Nhớt kế mao quản (Capillary Viscometer): Đo thời gian cần thiết để một thể tích chất lỏng nhất định chảy qua một ống mao quản hẹp dưới một áp suất xác định. Bằng cách thay đổi áp suất, người ta có thể thu được độ nhớt ở các tốc độ cắt khác nhau.
Lưu biến kế (Rheometer): Đây là phiên bản cao cấp và mạnh mẽ hơn của nhớt kế quay. Ngoài các phép đo độ nhớt thông thường, lưu biến kế có thể thực hiện các phép đo dao động (oscillatory tests) để phân tích các đặc tính đàn hồi (lưu trữ năng lượng) và nhớt (tiêu tán năng lượng) của vật liệu, cung cấp một bức tranh toàn diện về hành vi cơ học của chất lỏng phức tạp.

Các lưu ý quan trọng khi đo:

Kiểm soát nhiệt độ: Độ nhớt cực kỳ nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Việc duy trì nhiệt độ ổn định và chính xác trong suốt quá trình đo là tối quan trọng.
Lựa chọn dải tốc độ cắt: Dải tốc độ cắt được quét phải phù hợp với điều kiện ứng dụng thực tế của sản phẩm (ví dụ: tốc độ cắt thấp cho quá trình lắng, tốc độ cắt cao cho quá trình bơm hoặc phun).
Đảm bảo mẫu đồng nhất: Mẫu đo phải ổn định, không có bọt khí và không bị lắng trong quá trình đo.

Tài liệu tham khảo

Barnes, H. A. (2000). A Handbook of Elementary Rheology. University of Wales, Institute of Non-Newtonian Fluid Mechanics.
Chhabra, R. P., & Richardson, J. F. (2008). Non-Newtonian Flow and Applied Rheology: Engineering Applications. Butterworth-Heinemann.
Macosko, C. W. (1994). Rheology: Principles, Measurements, and Applications. VCH Publishers.
Mezger, T. G. (2006). The Rheology Handbook: For Users of Rotational and Oscillatory Rheometers. Vincentz Network GmbH & Co KG.
Bird, R. B., Armstrong, R. C., & Hassager, O. (1987). Dynamics of Polymeric Liquids, Volume 1: Fluid Mechanics. John Wiley & Sons.
Steffe, J. F. (1996). Rheological Methods in Food Process Engineering, 2nd ed. Freeman Press.

Tóm tắt về Chất lỏng Giả dẻo

Chất lỏng giả dẻo là một loại chất lỏng phi Newton đặc biệt. Điều quan trọng nhất cần nhớ là độ nhớt biểu kiến của chúng giảm khi ứng suất cắt tăng. Điều này trái ngược hoàn toàn với chất lỏng Newton, nơi độ nhớt là một hằng số. Hãy tưởng tượng bạn khuấy sữa chua: càng khuấy mạnh (tăng ứng suất cắt), sữa chua càng trở nên lỏng hơn (giảm độ nhớt). Đây chính là bản chất của hiện tượng “mỏng khi cắt” (shear-thinning).

Một mô hình toán học thường được sử dụng để mô tả chất lỏng giả dẻo là mô hình lũy thừa (Power Law Model): $\tau = K(dot{\gamma})^n$. Trong đó, n (chỉ số dòng chảy) là một giá trị nằm giữa 0 và 1. Giá trị n này cho biết mức độ “giả dẻo” của chất lỏng. Giá trị n càng nhỏ, chất lỏng càng thể hiện rõ tính chất giả dẻo (độ nhớt giảm càng mạnh khi tăng ứng suất cắt). Khi n = 1, mô hình này trở thành mô hình của chất lỏng Newton.

Không giống như chất dẻo Bingham, chất lỏng giả dẻo không có giới hạn chảy. Chúng bắt đầu chảy ngay lập tức khi có lực tác dụng, dù lực đó nhỏ đến đâu. Tuy nhiên, điểm khác biệt quan trọng là sau khi ngừng tác dụng lực, chất lỏng giả dẻo sẽ dần trở lại trạng thái ban đầu, độ nhớt của nó lại tăng lên.

Nhiều loại thực phẩm, mỹ phẩm và vật liệu công nghiệp quen thuộc là chất lỏng giả dẻo. Ví dụ điển hình là sơn, mực in, sốt cà chua, kem đánh răng, và máu. Hiểu rõ tính chất giả dẻo giúp chúng ta thiết kế các sản phẩm và quy trình hiệu quả hơn. Ví dụ, sơn cần phải dễ dàng quét lên tường (khi có ứng suất cắt) nhưng không được chảy xuống (khi không còn ứng suất cắt).

Khi đo độ nhớt của chất lỏng giả dẻo, cần sử dụng các máy đo độ nhớt quay hoặc lưu biến kế, và phải kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ. Vì độ nhớt thay đổi theo ứng suất cắt nên không thể chỉ đo ở một điểm duy nhất như chất lỏng Newton. Cần phải đo độ nhớt ở nhiều tốc độ cắt khác nhau để có được bức tranh đầy đủ về hành vi lưu biến của chất lỏng.

Câu hỏi và Giải đáp

1. Câu hỏi: Tại sao mô hình lũy thừa (Power Law) lại không mô tả chính xác hành vi của chất lỏng giả dẻo ở tốc độ cắt rất thấp và rất cao?

Trả lời: Mô hình lũy thừa $\tau = K(dot{\gamma})^n$ là một mô hình đơn giản và hữu ích, nhưng nó có những hạn chế.

Ở tốc độ cắt rất thấp ($dot{\gamma} \rightarrow 0$): Mô hình lũy thừa dự đoán độ nhớt biểu kiến ($eta = K(dot{\gamma})^{n-1}$) sẽ tiến tới vô cùng ($eta \rightarrow \infty$) vì $n-1 < 0$. Điều này không thực tế. Trong thực tế, hầu hết các chất lỏng giả dẻo đều có một độ nhớt giới hạn ở tốc độ cắt thấp, gọi là độ nhớt không cắt ($eta_0$).
Ở tốc độ cắt rất cao ($dot{\gamma} \rightarrow \infty$): Mô hình lũy thừa dự đoán độ nhớt biểu kiến sẽ tiến tới không ($eta \rightarrow 0$). Điều này cũng không chính xác. Trong thực tế, nhiều chất lỏng giả dẻo có một độ nhớt giới hạn ở tốc độ cắt cao, gọi là độ nhớt vô hạn ($eta_{\infty}$). Độ nhớt này thường liên quan đến độ nhớt của dung môi hoặc pha liên tục trong hệ thống.

Các mô hình như Cross và Carreau được phát triển để khắc phục những hạn chế này bằng cách đưa vào các tham số $eta0$ và $eta{\infty}$.

2. Câu hỏi: Ngoài ứng suất cắt, yếu tố nào khác có thể ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng giả dẻo?

Trả lời: Ngoài ứng suất cắt (hoặc tốc độ cắt), một số yếu tố quan trọng khác có thể ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng giả dẻo:

Nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất. Nói chung, độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng. Mối quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ thường được mô tả bằng phương trình Arrhenius: $eta = A \cdot \exp(\frac{E_a}{RT})$, trong đó $E_a$ là năng lượng hoạt hóa dòng chảy, $R$ là hằng số khí lý tưởng và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.
Áp suất: Áp suất thường có ảnh hưởng ít hơn so với nhiệt độ. Tuy nhiên, ở áp suất rất cao, độ nhớt của chất lỏng có thể tăng lên.
Nồng độ (đối với dung dịch và huyền phù): Độ nhớt thường tăng khi nồng độ của chất tan hoặc hạt rắn tăng lên.
Trọng lượng phân tử (đối với polymer): Độ nhớt của dung dịch polymer thường tăng mạnh khi trọng lượng phân tử của polymer tăng lên.
Thành phần hóa học: Thành phần hóa học của chất lỏng (ví dụ: loại polymer, loại chất hoạt động bề mặt, loại hạt rắn) có ảnh hưởng lớn đến tính chất lưu biến.
Lịch sử biến dạng (đối với một số chất lỏng phức tạp): Một số chất lỏng có thể có “bộ nhớ” về lịch sử biến dạng của chúng, nghĩa là độ nhớt của chúng không chỉ phụ thuộc vào ứng suất cắt hiện tại mà còn phụ thuộc vào các ứng suất cắt trước đó.

3. Câu hỏi: Làm thế nào để phân biệt chất lỏng giả dẻo với chất lưu biến (thixotropic) trong thực nghiệm?

Trả lời: Cả chất lỏng giả dẻo và chất lưu biến đều có độ nhớt giảm khi chịu ứng suất cắt, nhưng cơ chế và biểu hiện khác nhau:

Chất lỏng giả dẻo: Độ nhớt giảm ngay lập tức khi ứng suất cắt tăng và tăng trở lại ngay lập tức khi ứng suất cắt giảm. Độ nhớt chỉ phụ thuộc vào giá trị của ứng suất cắt tại thời điểm đó.
Chất lưu biến: Độ nhớt giảm dần dần theo thời gian khi chịu một ứng suất cắt không đổi. Khi ngừng tác dụng lực, độ nhớt cũng phục hồi dần dần theo thời gian. Độ nhớt không chỉ phụ thuộc vào giá trị ứng suất cắt mà còn phụ thuộc vào thời gian tác dụng lực.

Thực nghiệm:
Để phân biệt, ta thực hiện thí nghiệm đo độ nhớt ở một tốc độ cắt không đổi:

Tăng tốc độ cắt lên một giá trị cố định và giữ nguyên.
Theo dõi độ nhớt theo thời gian.

Nếu độ nhớt giảm ngay lập tức và duy trì ở một giá trị không đổi (hoặc dao động nhỏ) theo thời gian: Chất lỏng là giả dẻo (hoặc có thể là một chất lỏng phi Newton khác, nhưng không phải là thixotropic).
Nếu độ nhớt giảm dần theo thời gian và đạt đến một giá trị ổn định sau một khoảng thời gian: Chất lỏng là lưu biến (thixotropic).
Thực hiện ngược lại giảm tốc độ cắt và theo dõi.

4. Câu hỏi: Tại sao một số chất lỏng có thể vừa thể hiện tính chất giả dẻo, vừa thể hiện tính chất giãn nở (dilatant)?

Trả lời: Một số chất lỏng phức tạp, đặc biệt là các hệ phân tán (hệ keo, huyền phù) có nồng độ hạt rắn cao, có thể thể hiện cả tính chất giả dẻo và giãn nở, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể (ví dụ: tốc độ cắt, biên độ biến dạng).

Ở tốc độ cắt thấp: Các hạt có thể có đủ thời gian để sắp xếp lại và trượt qua nhau một cách tương đối dễ dàng, dẫn đến hành vi giả dẻo.
Ở tốc độ cắt cao: Các hạt không có đủ thời gian để sắp xếp lại, chúng có thể bị “khóa” vào nhau hoặc tạo thành các cụm do va chạm, dẫn đến tăng độ nhớt và hành vi giãn nở.

Ví dụ: “Oobleck” (hỗn hợp bột ngô và nước) có thể thể hiện cả hai tính chất này, như đã đề cập ở phần sự thật thú vị.

5. Câu hỏi: Ngoài mô hình lũy thừa, có những mô hình toán học nào khác mô tả chất lỏng giả dẻo và ưu điểm của chúng là gì?

Trả lời:
Ngoài mô hình lũy thừa, một số mô hình toán học phổ biến khác mô tả chất lỏng giả dẻo bao gồm:

Mô hình Cross:$eta = eta_{\infty} + \frac{eta0 – eta{\infty}}{1 + (kdot{\gamma})^m}$
Ưu điểm: Mô tả tốt hành vi của chất lỏng ở cả tốc độ cắt thấp và cao, có các tham số $eta0$ (độ nhớt ở tốc độ cắt bằng 0) và $eta{\infty}$ (độ nhớt ở tốc độ cắt vô cùng lớn).
Mô hình Carreau:$eta = eta_{\infty} + (eta0 – eta{\infty})(1 + (\lambdadot{\gamma})^2)^{\frac{n-1}{2}}$
Ưu điểm: Tương tự như mô hình Cross, mô tả tốt ở cả tốc độ cắt thấp và cao, và có dạng khác có thể phù hợp hơn với một số loại chất lỏng.
Mô hình Yasuda (Carreau-Yasuda):
$eta = eta{\infty} + (eta{0} – eta_{\infty})[1+(\lambdadot\gamma)^{a}]^{\frac{n-1}{a}}$
Ưu điểm: Tổng quát hơn Carreau, linh động hơn trong việc khớp số liệu thực nghiệm.
Mô hình Sisko:
$eta = eta_{\infty} + a{dot{\gamma}}^{n-1}$
Ưu điểm: Đơn giản tương tự Power Law, có thêm độ nhớt ở tốc độ cắt vô cùng lớn.
Các mô hình này, mặc dù phức tạp hơn mô hình lũy thừa, nhưng cung cấp sự mô tả chính xác hơn về hành vi của chất lỏng giả dẻo trong một phạm vi rộng hơn của tốc độ cắt. Việc lựa chọn mô hình nào phụ thuộc vào loại chất lỏng cụ thể và độ chính xác mong muốn.

Một số điều thú vị về Chất lỏng Giả dẻo

Sốt cà chua và bí ẩn của việc lấy ra khỏi chai: Sốt cà chua là một ví dụ kinh điển về chất lỏng giả dẻo. Bạn có thể thấy khó lấy sốt cà chua ra khỏi chai, nhưng khi bạn lắc mạnh hoặc gõ vào đáy chai (tăng ứng suất cắt), sốt cà chua đột nhiên chảy ra dễ dàng. Điều thú vị là, ngay cả khi bạn ngừng lắc, sốt cà chua vẫn tiếp tục chảy trong một khoảng thời gian ngắn do tính chất “mỏng khi cắt” của nó.
Máu và sự sống còn: Máu, ở một mức độ nào đó, cũng là một chất lỏng giả dẻo. Điều này rất quan trọng đối với sự sống còn. Khi tim bơm máu (tạo ra ứng suất cắt), máu trở nên ít nhớt hơn và dễ dàng lưu thông qua các mạch máu, kể cả các mao mạch nhỏ. Khi máu chảy chậm lại, độ nhớt của nó tăng lên, giúp ngăn ngừa chảy máu quá nhiều khi bị thương.
Cát lún và hiệu ứng ngược: Trái ngược với suy nghĩ thông thường, cát lún (quicksand) không phải là một chất lỏng giãn nở (dilatant – đặc khi cắt) mà thường là một hỗn hợp của cát mịn, đất sét và nước, có thể hoạt động như một chất lỏng giả dẻo trong một số trường hợp. Khi bạn đứng yên, các hạt cát và đất sét có thể tạo thành một cấu trúc tương đối ổn định. Tuy nhiên, khi bạn cố gắng di chuyển, bạn tạo ra ứng suất cắt, làm phá vỡ cấu trúc này và khiến cát lún trở nên lỏng hơn, làm bạn chìm sâu hơn. Điều thú vị là, để thoát khỏi cát lún, bạn nên di chuyển chậm và nhẹ nhàng để giảm thiểu ứng suất cắt, cho phép cát lún duy trì trạng thái “đặc” hơn.
Kem đánh răng và “nghệ thuật” bóp tuýp: Kem đánh răng là một chất lỏng giả dẻo được thiết kế đặc biệt. Khi bạn bóp tuýp kem (tạo ứng suất cắt), kem đánh răng trở nên lỏng hơn và dễ dàng chảy ra. Tuy nhiên, khi bạn ngừng bóp, kem đánh răng nhanh chóng trở lại trạng thái đặc hơn, giữ nguyên hình dạng trên bàn chải và không bị chảy lung tung.
Sơn “không nhỏ giọt”: Nhiều loại sơn hiện đại là chất lỏng giả dẻo, đôi khi còn được gọi là sơn “thixotropic” (mặc dù thixotropy là một khái niệm khác, liên quan đến sự thay đổi độ nhớt theo thời gian). Tính chất này giúp sơn dễ dàng được quét hoặc phun lên bề mặt (khi có ứng suất cắt từ chổi sơn hoặc vòi phun). Nhưng ngay khi ngừng tác dụng lực, sơn nhanh chóng đặc lại, ngăn không cho sơn bị chảy xệ hoặc nhỏ giọt, tạo ra một lớp sơn đều và đẹp.
“Oobleck” – Trò chơi khoa học vui nhộn: “Oobleck” là một hỗn hợp đơn giản của bột ngô và nước, thường được sử dụng trong các thí nghiệm khoa học vui nhộn cho trẻ em. Hỗn hợp này có thể hoạt động vừa như chất lỏng giả dẻo, vừa như chất lỏng giãn nở, tùy thuộc vào cách bạn tác dụng lực. Nếu bạn khuấy chậm, nó chảy như chất lỏng. Nếu bạn đấm mạnh hoặc bóp nhanh, nó lại trở nên cứng như chất rắn. Sự thay đổi đột ngột này rất thú vị và minh họa rõ ràng cho tính chất phi Newton của vật liệu.

Những sự thật này cho thấy tính chất giả dẻo không chỉ là một khái niệm khoa học trừu tượng mà còn hiện diện trong rất nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày và có những ứng dụng quan trọng.