Lưu biến học (Rheology)

Đối tượng nghiên cứu

Lưu biến học nghiên cứu một danh mục vật liệu vô cùng đa dạng, những vật liệu có cấu trúc vi mô phức tạp (ví dụ như chuỗi polyme, các hạt lơ lửng, các giọt phân tán) quyết định đến tính chất chảy độc đáo của chúng. Các đối tượng chính bao gồm:

• Chất lỏng phức tạp (Complex fluids): Các hệ thống như polyme nóng chảy (molten polymers), dung dịch polyme (polymer solutions), huyền phù (suspensions), nhũ tương (emulsions), bọt (foams), và gel.
• Vật liệu sinh học (Biological materials): Máu, chất nhầy (mucus), hoạt dịch khớp (synovial fluid), và các mô mềm.
• Thực phẩm: Sữa chua, sốt mayonnaise, kem, sô-cô-la, và bột nhào.
• Mỹ phẩm và dược phẩm: Kem dưỡng da (lotions), thuốc mỡ, và gel.
• Vật liệu công nghiệp và xây dựng: Bê tông tươi, sơn, mực in, và nhựa đường.
• Vật liệu địa chất: Macma (magma), dung nham (lava), và bùn.

Các khái niệm cơ bản

Để mô tả hành vi của vật liệu, lưu biến học sử dụng một số khái niệm nền tảng:

• Ứng suất (Stress): Là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích, đơn vị là Pascal (Pa). Trong lưu biến học, loại ứng suất quan trọng nhất là ứng suất cắt (shear stress), ký hiệu là $\tau$ (tau), là lực tác dụng song song với bề mặt. Ngoài ra còn có ứng suất pháp (normal stress) là lực tác dụng vuông góc với bề mặt.
• Biến dạng (Strain): Là sự thay đổi về hình dạng tương đối của vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất. Đây là đại lượng không có thứ nguyên, thường ký hiệu là $\gamma$ (gamma) cho biến dạng cắt (shear strain) hoặc $\epsilon$ (epsilon) cho biến dạng giãn/nén.
• Tốc độ biến dạng cắt (Shear strain rate): Là tốc độ thay đổi của biến dạng cắt theo thời gian, thể hiện vật liệu bị biến dạng nhanh như thế nào. Ký hiệu là $\dot{\gamma}$ (gamma dot), đơn vị là nghịch đảo giây ($s^{-1}$).
• Độ nhớt (Viscosity): Là thước đo sức kháng cự của một chất lỏng đối với dòng chảy. Đối với một chất lỏng Newton, độ nhớt cắt (shear viscosity), ký hiệu $\eta$ (eta), là một hằng số và được định nghĩa bởi tỷ lệ giữa ứng suất cắt và tốc độ biến dạng cắt: $\tau = \eta\dot{\gamma}$. Đơn vị của độ nhớt là Pascal-giây (Pa·s).
• Mô đun đàn hồi (Elastic modulus): Là thước đo độ cứng của vật liệu, đặc trưng cho khả năng chống lại biến dạng đàn hồi. Đối với một chất rắn Hooke, mô đun cắt (shear modulus), ký hiệu $G$, là một hằng số, liên hệ giữa ứng suất cắt và biến dạng cắt: $\tau = G\gamma$. Đơn vị của mô đun là Pascal (Pa).
• Tính nhớt đàn hồi (Viscoelasticity): Là đặc tính của các vật liệu thể hiện đồng thời cả tính nhớt (như chất lỏng, làm tiêu tán năng lượng) và tính đàn hồi (như chất rắn, lưu trữ năng lượng). Phản ứng của các vật liệu này phụ thuộc mạnh mẽ vào thời gian: chúng có thể chảy như chất lỏng trong khoảng thời gian dài nhưng lại biến dạng đàn hồi như chất rắn khi chịu tác động nhanh.

Các mô hình lưu biến

Để mô tả và dự đoán hành vi chảy của vật liệu, các nhà lưu biến học sử dụng các phương trình toán học gọi là mô hình cấu thành (constitutive models). Các mô hình này liên hệ ứng suất với biến dạng hoặc tốc độ biến dạng.

• Chất lỏng Newton (Newtonian fluid): Đây là mô hình đơn giản nhất, trong đó độ nhớt là một hằng số, không phụ thuộc vào tốc độ biến dạng cắt. Mối quan hệ được mô tả bởi định luật Newton về độ nhớt: $\tau = \eta\dot{\gamma}$. Nước, dầu và không khí là những ví dụ gần đúng.
• Chất lỏng phi Newton (Non-Newtonian fluid): Phần lớn các chất lỏng phức tạp đều là phi Newton, nghĩa là độ nhớt của chúng thay đổi tùy thuộc vào điều kiện chảy. Các loại chính bao gồm:
  • Chất lỏng giả dẻo (Pseudoplastic / Shear-thinning): Độ nhớt giảm khi tốc độ biến dạng cắt tăng. Đây là loại hành vi phi Newton phổ biến nhất. Ví dụ: sơn, tương cà, dung dịch polyme, máu.
  • Chất lỏng giãn nở (Dilatant / Shear-thickening): Độ nhớt tăng khi tốc độ biến dạng cắt tăng. Ví dụ: huyền phù tinh bột ngô đậm đặc (oobleck), một số loại cát lún.
  • Chất lỏng Bingham: Hành xử như một chất rắn ở ứng suất thấp và chỉ bắt đầu chảy khi ứng suất tác dụng vượt qua một giá trị ngưỡng gọi là ứng suất chảy (yield stress). Ví dụ: kem đánh răng, sốt mayonnaise, bùn khoan.
• Vật liệu nhớt đàn hồi (Viscoelastic materials): Để mô tả các vật liệu này, người ta dùng các mô hình phức tạp hơn, thường được hình dung bằng cách kết hợp các phần tử cơ học đơn giản: lò xo (đại diện cho thành phần đàn hồi, tuân theo định luật Hooke) và pít-tông giảm chấn (dashpot, đại diện cho thành phần nhớt, tuân theo định luật Newton). Bằng cách kết hợp các phần tử lò xo và bộ giảm chấn theo các cách khác nhau (nối tiếp, song song, hoặc kết hợp phức tạp hơn), các mô hình như mô hình Maxwell (lò xo và giảm chấn nối tiếp) và mô hình Kelvin-Voigt (lò xo và giảm chấn song song) có thể mô tả được nhiều loại hành vi nhớt đàn hồi khác nhau, bao gồm sự hồi phục (creep), sự trễ (relaxation), và đáp ứng dao động (oscillatory response).

Ứng dụng

Lưu biến học có vai trò then chốt trong vô số ứng dụng thực tế và nghiên cứu khoa học:

• Công nghiệp chế biến: Thiết kế và tối ưu hóa các quy trình sản xuất như ép đùn, đúc phun, trộn, bơm, và sơn phủ. Hiểu biết về lưu biến học giúp ngăn ngừa các lỗi sản phẩm và tiết kiệm năng lượng.
• Công nghiệp thực phẩm: Tinh chỉnh kết cấu (texture) và cảm giác ngon miệng (mouthfeel) của sản phẩm như sữa chua, sô-cô-la, và các loại sốt. Nó quyết định cách sản phẩm chảy ra khỏi chai, cảm giác trên lưỡi, và độ ổn định khi lưu trữ.
• Y sinh và dược phẩm: Nghiên cứu đặc tính chảy của máu để chẩn đoán các bệnh tim mạch, thiết kế hệ thống phân phối thuốc, và tạo ra các loại kem bôi và thuốc mỡ có đặc tính trải đều và bám dính mong muốn.
• Địa chất học: Mô hình hóa dòng chảy của dung nham để dự báo sự lan rộng của núi lửa, hiểu về sự chuyển động của các mảng kiến tạo và các quá trình trong lớp phủ của Trái Đất.
• Khoa học vật liệu: Phát triển các vật liệu polyme, composite, và vật liệu thông minh mới với các đặc tính lưu biến được kiểm soát cho các ứng dụng chuyên biệt, từ chất kết dính đến áo giáp chống đạn.

Các phương pháp đo

Việc đo lường các đặc tính lưu biến được thực hiện bằng các thiết bị chuyên dụng:

• Máy đo độ nhớt (Viscometer): Là thiết bị dùng để đo độ nhớt của chất lỏng trong những điều kiện dòng chảy cụ thể. Máy đo độ nhớt thường đơn giản hơn và chỉ cung cấp thông tin về thành phần nhớt của vật liệu.
• Máy đo lưu biến (Rheometer): Là thiết bị tinh vi và đa năng hơn, có khả năng đo lường một loạt các đặc tính lưu biến phức tạp. Máy đo lưu biến không chỉ đo độ nhớt mà còn có thể xác định các thành phần đàn hồi (như mô đun lưu trữ và mô đun tổn hao) và hành vi của vật liệu dưới nhiều loại biến dạng khác nhau (cắt, kéo, dao động). Các loại phổ biến bao gồm máy đo lưu biến quay, máy đo lưu biến mao dẫn, và máy đo lưu biến giãn nở.

Phân loại Dòng chảy

Lưu biến học không chỉ phân loại vật liệu mà còn nghiên cứu các loại dòng chảy khác nhau:

• Dòng chảy dừng (Steady flow): Các đặc tính của dòng chảy (như vận tốc) tại bất kỳ điểm nào trong không gian không thay đổi theo thời gian.
• Dòng chảy không dừng (Unsteady flow): Các đặc tính của dòng chảy thay đổi theo thời gian.
• Dòng chảy tầng (Laminar flow): Dòng chảy có trật tự, trong đó các lớp chất lỏng trượt lên nhau một cách mượt mà, thường xảy ra ở vận tốc thấp hoặc độ nhớt cao.
• Dòng chảy rối (Turbulent flow): Dòng chảy hỗn loạn, không có trật tự, đặc trưng bởi các xoáy và dao động vận tốc ngẫu nhiên, thường xảy ra ở vận tốc cao hoặc độ nhớt thấp.
• Dòng chảy trượt (Shear flow): Loại dòng chảy phổ biến nhất trong các phép đo lưu biến, trong đó các lớp vật liệu trượt song song với nhau, như trong dòng chảy qua ống hoặc khi khuấy chất lỏng.
• Dòng chảy kéo (Extensional flow / Elongational flow): Dòng chảy trong đó phần tử vật liệu bị kéo giãn. Loại dòng chảy này rất quan trọng trong các quy trình như kéo sợi, thổi màng nhựa, và tạo bọt. Độ nhớt kéo (${\eta_E}$), đặc trưng cho sức kháng của vật liệu đối với dòng chảy kéo, có thể khác biệt rất lớn so với độ nhớt cắt.

Các hiện tượng lưu biến đặc biệt

Vật liệu phức tạp có thể biểu hiện nhiều hiện tượng độc đáo và thường phản trực giác:

• Hiệu ứng Weissenberg (Rod-climbing effect): Khi một thanh quay được nhúng vào dung dịch nhớt đàn hồi, chất lỏng có xu hướng leo lên thanh quay, ngược lại với chất lỏng Newton sẽ tạo ra một vùng lõm.
• Phồng nở tại miệng đùn (Die swell / Barus effect): Khi một polyme nóng chảy hoặc dung dịch đậm đặc bị ép qua một khuôn hẹp, dòng vật liệu phun ra có đường kính lớn hơn đường kính của khuôn.
• Hiện tượng phụ thuộc thời gian (Time-dependent phenomena):
  • Tính biến流 (Thixotropy): Độ nhớt của vật liệu giảm theo thời gian dưới tác động của ứng suất cắt không đổi và phục hồi dần khi ngừng tác động. Ví dụ điển hình là sơn và tương cà.
  • Tính biến cứng (Rheopexy): Một hiện tượng hiếm gặp hơn, trong đó độ nhớt của vật liệu tăng theo thời gian dưới tác động của ứng suất cắt không đổi.
• Hiệu ứng Kaye: Khi một dòng chất lỏng nhớt đàn hồi được rót lên một bề mặt, dòng chảy có thể “nảy” lên một cách bất ngờ và hợp nhất với dòng đang rót xuống.

Số không thứ nguyên (Dimensionless numbers)

Trong lưu biến học, các số không thứ nguyên được sử dụng để so sánh tầm quan trọng tương đối của các loại lực khác nhau, giúp xác định chế độ chảy của vật liệu:

• Số Reynolds (Re): Biểu thị tỷ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt: $Re = \frac{\rho u L}{\eta}$. Số Re thấp ($Re < 2100$ trong dòng chảy trong ống) cho thấy dòng chảy tầng, trong khi số Re cao cho thấy dòng chảy rối.
• Số Deborah (De): So sánh thời gian đặc trưng của vật liệu (thường là thời gian hồi phục, $\lambda$) với thời gian đặc trưng của quá trình hoặc của người quan sát ($t_{obs}$): $De = \frac{\lambda}{t_{obs}}$. Nếu $De \ll 1$, vật liệu có đủ thời gian để chảy và hành xử như chất lỏng. Nếu $De \gg 1$, vật liệu không kịp hồi phục và hành xử như chất rắn.
• Số Weissenberg (Wi): So sánh lực đàn hồi và lực nhớt trong dòng chảy. Nó được định nghĩa là tích của thời gian hồi phục và tốc độ biến dạng cắt: $Wi = \lambda\dot{\gamma}$. Số Wi cao cho thấy các hiệu ứng đàn hồi là đáng kể.

Câu hỏi 2: Thời gian hồi phục (relaxation time) trong lưu biến học là gì và nó có ý nghĩa như thế nào?

Trả lời: Thời gian hồi phục ($\lambda$) là một thông số cơ bản đặc trưng cho vật liệu nhớt đàn hồi. Nó đại diện cho khoảng thời gian cần thiết để ứng suất bên trong vật liệu giảm đi một cách đáng kể (cụ thể là giảm xuống còn $1/e$ hay khoảng 37% giá trị ban đầu) sau khi một biến dạng được áp đặt và giữ không đổi. Về mặt trực quan, nó thể hiện “trí nhớ” của vật liệu về hình dạng cũ của nó; thời gian hồi phục càng dài, vật liệu càng “nhớ” lâu hơn và càng có tính đàn hồi hơn.

Ý nghĩa:

• Định lượng tính nhớt đàn hồi: Vật liệu có $\lambda$ dài thể hiện tính đàn hồi nổi trội (giống chất rắn), trong khi vật liệu có $\lambda$ ngắn thể hiện tính nhớt nổi trội (giống chất lỏng).
• Nền tảng cho số Deborah: Số Deborah ($De = \lambda/t_{obs}$) sử dụng thời gian hồi phục để so sánh thang thời gian nội tại của vật liệu với thang thời gian của dòng chảy. Điều này quyết định vật liệu sẽ hành xử giống chất rắn hay chất lỏng trong một tình huống cụ thể. Ví dụ, Silly Putty có $\lambda$ khoảng vài giây. Khi bạn vo tròn và ném nó (quá trình nhanh, $t_{obs}$ nhỏ, $De > 1$), nó nảy như quả bóng rắn. Khi bạn đặt nó lên bàn (quá trình chậm, $t_{obs}$ lớn, $De < 1$), nó chảy như một vũng chất lỏng.

Câu hỏi 3: Sự khác biệt chính giữa dòng chảy kéo (extensional flow) và dòng chảy trượt (shear flow) là gì? Tại sao độ nhớt kéo lại quan trọng?

Trả lời:

• Dòng chảy trượt (Shear flow): Xảy ra khi các lớp vật liệu trượt song song lên nhau. Đây là loại dòng chảy được tạo ra khi khuấy chất lỏng hoặc khi chất lỏng chảy qua ống.
• Dòng chảy kéo (Extensional flow): Xảy ra khi vật liệu bị kéo giãn hoặc nén dọc theo hướng chảy. Đây là loại dòng chảy chủ đạo trong các quá trình như kéo sợi, thổi màng, tạo bọt, hoặc khi bạn kéo hai đầu của một giọt chất lỏng dính (như mật ong).

Độ nhớt kéo ($\eta_E$) rất quan trọng vì:

• Phản ánh cấu trúc vi mô: Đối với các chất lỏng phức tạp như dung dịch polyme, các chuỗi phân tử chống lại việc bị kéo giãn mạnh hơn nhiều so với việc trượt qua nhau. Do đó, độ nhớt kéo thường lớn hơn độ nhớt cắt nhiều lần. Tỷ số giữa chúng (tỷ số Trouton) có thể cung cấp thông tin quý giá về cấu trúc phân tử.
• Quyết định khả năng xử lý vật liệu: Trong nhiều quy trình công nghiệp (như kéo sợi tơ nhân tạo), một độ nhớt kéo đủ cao là cần thiết để sợi không bị đứt. Ngược lại, độ nhớt kéo quá cao có thể gây ra áp suất lớn và làm hỏng thiết bị.

Câu hỏi 4: “Ứng suất chảy” (yield stress) là gì, và vật liệu nào thường thể hiện tính chất này?

Trả lời: Ứng suất chảy ($\tau_y$) là giá trị ứng suất tối thiểu cần phải tác dụng lên một vật liệu để nó bắt đầu chảy như một chất lỏng. Dưới ngưỡng ứng suất này, vật liệu biến dạng một cách đàn hồi và hành xử như một chất rắn mềm. Khi ứng suất vượt qua giá trị này, cấu trúc bên trong của vật liệu bị phá vỡ, cho phép nó chảy.

Các vật liệu có ứng suất chảy rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày:

• Thực phẩm: Tương cà, sốt mayonnaise, bơ đậu phộng, mù tạt. Chúng giữ nguyên hình dạng trên đĩa (trạng thái rắn) cho đến khi bạn dùng nĩa khuấy chúng (vượt qua ứng suất chảy).
• Mỹ phẩm: Kem đánh răng, kem dưỡng da. Chúng nằm yên trên bàn chải hoặc trong lòng bàn tay nhưng lại dễ dàng chảy ra khi bạn bóp tuýp hoặc xoa lên da.
• Vật liệu công nghiệp: Sơn (giúp sơn không bị chảy dọc trên tường sau khi quét), bùn khoan, bê tông tươi.

Câu hỏi 5: Thixotropy và rheopexy khác nhau như thế nào? Cho ví dụ.

Trả lời: Cả hai đều là những hiện tượng mà độ nhớt của vật liệu thay đổi theo thời gian dưới một ứng suất cắt không đổi.

• Thixotropy (Tính biến lưu): Là hiện tượng độ nhớt giảm theo thời gian khi vật liệu bị khuấy hoặc cắt và sẽ tăng trở lại một cách từ từ khi để yên. Đây là một đặc tính mong muốn ở nhiều sản phẩm.
  • Ví dụ: Sơn. Sơn đặc trong hộp (độ nhớt cao) để các hạt màu không bị lắng. Khi bạn khuấy và quét (cắt), nó trở nên lỏng hơn (độ nhớt thấp) để dễ dàng trải đều. Khi đã ở trên tường, nó đặc lại nhanh chóng để không bị chảy. Tương cà cũng là một ví dụ kinh điển.
• Rheopexy (Tính biến cứng): Là hiện tượng ngược lại và hiếm gặp hơn nhiều, trong đó độ nhớt tăng theo thời gian khi vật liệu bị khuấy hoặc cắt nhẹ.
  • Ví dụ: Một số huyền phù thạch cao hoặc bột Bentonite trong nước. Việc khuấy nhẹ có thể thúc đẩy sự hình thành cấu trúc mạng lưới, làm cho hệ thống trở nên đặc hơn.

Điểm khác biệt chính là hướng thay đổi độ nhớt theo thời gian: giảm đối với thixotropy và tăng đối với rheopexy.