Τὰ πάντα ῥεῖ

Τὰ πάντα ῥεῖ! Αυτό το ρητό του Αρχαίου Έλληνα προσωκρατικού φιλόσοφου Ηράκλειτου από την Έφεσο της Μικράς Ασίας αναφέρεται στο ότι τα πάντα βρίσκονται σε συνεχή κίνηση. Σήμερα, αυτό το αρχαιοελληνικό ρητό έχει υιοθετηθεί στο έμβλημα της Αμερικανικής Εταιρείας Ρεολογίας (Society of Rheology), που αποτελείται από Φυσικούς, Χημικούς, Βιολόγους, Γεωλόγους, κάθε λογής Μηχανικούς (κυρίως Χημικούς Μηχανικούς, Μηχανολόγους Μηχανικούς, Πολιτικούς Μηχανικούς) αλλά ακόμα και Μαθηματικούς που ενδιαφέρονται να προωθήσουν και να εφαρμόσουν τη Ρεολογία. Αυτό το απόφθεγμα εμφανίζεται και στο έμβλημα του διεθνούς επιστημονικού περιοδικού Journal of Rheology, που αποτελεί τη ναυαρχίδα των επιστημονικών περιοδικών όπου δημοσιεύονται εργασίες με θέμα τη Ρεολογία.

Όπως ορθά ανέφερε πρόσφατα ο Κώστας Δεληγιάννης σε ελλαδική εφημερίδα, «αν γινόταν ποτέ διαγωνισμός για το ποια φυσική επιστήμη είναι λιγότερο γνωστή στους μη ειδικούς, τότε η Ρεολογία θα συγκαταλεγόταν στα φαβορί, καθώς μια απλή αναζήτηση στο Ιντερνέτ είναι αρκετή για να αποδείξει πως, πέρα από τα επιστημονικά περιοδικά, τα άρθρα που αναφέρονται σε αυτήν είναι λιγοστά». Όμως, όλοι ερχόμαστε σε επαφή με τις εφαρμογές της επιστήμης της Ρεολογίας σε καθημερινή βάση.

Η Ρεολογία είναι η επιστήμη της παραμόρφωσης και ροής των υλικών. Η ονομασία επινοήθηκε από τον Eugene (Ευγένιο) Bingham, ο οποίος ίδρυσε την Αμερικανική Εταιρεία Ρεολογίας στις ΗΠΑ, και η ρίζα της βρίσκεται στην ελληνική λέξη «ρέω» και το επίθημα «λογία» που σημαίνει μελέτη. Περιλαμβάνει τη θεωρία που «υπόκειται» στην παραμόρφωση και την πρακτική της μέτρησης, ενώ αυτοί που εργάζονται στον τομέα περιγράφονται οι ίδιοι ως ρεολόγοι. Όπως θα δούμε αμέσως, ροή δεν παρουσιάζουν μόνο τα ρευστά (δηλαδή τα υγρά και τα αέρια) αλλά και τα μικρομερή (σε μορφή πούδρας) στερεά. Για την περιγραφή της ροής, έχει επινοηθεί η έννοια του ιξώδους (από τη λέξη «ἰξός», τη γνωστή κολλώδη ουσία που περιβάλλει κάποιους καρπούς, και σημαίνει το «κολλώδες») που περιγράφει την εσωτερική αντίσταση που παρουσιάζουν τα ρευστά στην εξωτερική δύναμη που τα ωθεί να ρεύσουν.

Η Ρεολογία παίζει έναν ιδιάζοντα ρόλο στη ζωή μας, ακόμη και αν δεν το γνωρίζουμε. Επί παραδείγματι, όλοι γνωρίζουμε ότι το μέλι είναι πολύ περισσότερο παχύρευστο (έχει μεγαλύτερο ιξώδες) από το νερό, και άρα ρέει πολύ πιο αργά. Αυτό όμως είναι ένα μόνο παράδειγμα, και μπορούμε να αναφέρουμε πολύ περισσότερα:

1.               Μπορούμε να βάψουμε τους τοίχους του σπιτιού μας, καθώς οι εταιρείες τις παρασκευάζουν ώστε να είναι ρεολεπτυνόμενες: σε μεγάλους ρυθμούς διάτμησης (όπως όταν εφαρμόζουμε την μπογιά με το πινέλο) παρουσιάζουν μικρό ιξώδες, ενώ σε μικρούς ρυθμούς διάτμησης (όπως όταν το πινέλο φύγει από την περιοχή επάλειψης) παρουσιάζουν μεγάλο ιξώδες (ώστε να μην «τρέχει» στον τοίχο και να παραμένει στη θέση της μέχρις ότου ο διαλύτης εξατμιστεί).

2.               Η μαγιονέζα, η οδοντόκρεμα, το βούτυρο και το κέτσαπ φτιάχνονται ώστε να είναι αρκετά παχύρευστα και να παρουσιάζουν τάση διαρροής (yield stress στα αγγλικά)· έτσι, όταν τα τοποθετήσουμε πάνω στο μπιφτέκι δεν «τρέχουν», καθώς πρέπει εμείς να εφαρμόσουμε μια μικρή τάση (π.χ. με το κουτάλι) για να τα επαλείψουμε.

3.               Το ιξώδες του αίματός μας είναι πολύ προσεκτικά ρυθμισμένο ώστε να μην δημιουργούνται προβλήματα στη ροή του μέσα στον οργανισμό μας. Είναι ένα ρεολεπτυνόμενο ρευστό, καθώς μειώνεται το ιξώδες του σε μεγάλους ρυθμούς διάτμησής, όπως όταν αθλούμαστε οπότε αυξάνεται η ροή του αίματος. Επιπλέον, έχει την ιδιότητα να μειώνει το ιξώδες του όταν ρέει σε αγγεία μικρότερης διαμέτρου, όπως είναι τα τριχοειδή αγγεία, καθώς διαφορετικά θα είχαμε απόφραξη των αγγείων (αυτό ονομάζεται φαινόμενο Fåhraeus-Lindqvist). Μια σειρά ασθενειών επιφέρουν τη διαφοροποίηση του ιξώδους του αίματος, μειώνοντας (όπως η αναιμία που μπορεί να οδηγήσει και σε καρδιακή συγκοπή) ή αυξάνοντάς το (όπως η μαλάρια που «σκληραίνει» τα ερυθρά αιμοσφαίρια, ή η COVID-19 οδηγώντας σε θρομβώσεις), κάτι που οδηγεί σε σημαντικά θέματα υγείας.

4.               Στο πείραμα πτώσης πίσσας του Πανεπιστημίου του Queensland, η πίσσα στάζει αργά μέσω μιας χοάνης από το 1927, με ρυθμό μίας σταγόνας περίπου κάθε δεκαετία. Με αυτόν τον τρόπο, το ιξώδες της πίσσας έχει προσδιοριστεί ότι είναι περίπου 230 δισεκατομμύρια (2,3×1011) φορές αυτό του νερού.

5.               H κινούμενη άμμος είναι ένα μη Νευτώνειο ρεολεπτυνόμενο ρευστό. Γίνεται ασταθής αν αναγκαστεί να κινηθεί. Πρώτα υγροποιείται και έπειτα καταρρέει η δομή της. Παρά όμως τον μύθο, είναι αδύνατον για έναν άνθρωπο ή ζώο να παρασυρθεί εντελώς στην κινούμενη άμμο, ίσως να φτάσει μέχρι τη μέση.

6.               H λάβα ή μάγμα, δηλαδή λιωμένο ή μερικώς λιωμένο πέτρωμα, είναι ένα μη Νευτώνειο ρευστό με θιξοτροπίκη και ρεολεπτυνόμενη συμπεριφορά που παρουσιάζει τάση διαρροής. Το ίδιο και οι παγετώνες (glasiers).

7.               H γνώση των χρονοεξαρτημένων ρεολογικών ιδιοτήτων του πηλού/πάστας τσιμέντου είναι ιδιαίτερα σημαντική για την κατανόηση της ρεολογικής συμπεριφοράς του κατά τη διάρκεια του χρονικού πλαισίου στο οποίο δύναται να υποστεί επεξεργασία. Η πραγματοποίηση αντιδράσεων ενυδάτωσης (hydration reactions) είναι ο λόγος για τον οποίο από ένα χρονικό σημείο και έπειτα, όταν η τσιμεντόπαστα παραμένει σε αδράνεια, στερεοποιείται λόγω απειρισμού του ιξώδους της.

8.               H ρεολογία των καλλυντικών, όπως οι κρέμες ενυδάτωσης δέρματος, το βερνίκι νυχιών, και του σαμπουάν μαλλιών, είναι πολύ σημαντική για την παραγωγή τους, αλλά και για την ικανοποίηση των καταναλωτών σε σχέση, π.χ., με την αίσθηση της εφαρμογής της κρέμας δέρματος.

9.               Κατ’ αντιστοιχία, η ρεολογία φαρμακευτικών σκευασμάτων, όπως των σιροπιών, των γελών (gels), των λοσιόν, αλλά και των φαρμακευτικών εναιωρημάτων, επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο θα λάβει χώρα η χορήγηση του εκάστοτε σκευάσματος.

10.            Τέλος, είναι επίσης γνωστό ότι τα τζάμια από βιτρό σε παλαιούς μεσαιωνικούς ναούς είναι παχύτερα στο κάτω μέρος, επειδή το γυαλί είναι ένα υγρό που ρέει πολύ αργά προς τα κάτω, λόγω βαρύτητας, κατά τη διάρκεια των αιώνων.

 

Καθίσταται λοιπόν προφανές ότι η Ρεολογία μελετά μια πολύ μεγάλη σειρά προϊόντων που χρησιμοποιούμε καθημερινά, όπως πλαστικά, μπογιές, ή βρώσιμα ρευστά. Ο σχεδιασμός αυτών των μη Νευτώνειων ρευστών και ημιστερεών ώστε να έχουν τις απόλυτα επιθυμητές ιδιότητες ανάλογα με τη χρήση τους, απαιτεί να έχουμε τη δυνατότητα να περιγράψουμε με κάποιο μαθηματικό καταστατικό μοντέλο τη ρεολογική τους συμπεριφορά. Το εργαστήριό μας στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Κύπρου έχει προτείνει τέτοια μαθηματικά μοντέλα τα οποία έχουν συγκριθεί αρκετά ικανοποιητικά με διαθέσιμα ρεολογικά πειραματικά δεδομένα. Η διαθεσιμότητα τέτοιων επιτυχημένων μοντέλων παρέχει τη δυνατότητα να διεξαγάγουμε υπολογιστικά πειράματα για να σχεδιάσουμε προσαρμοσμένα καινούργια προϊόντα ή να βελτιώσουμε ήδη διαθέσιμα. Δεδομένης της σημασίας της ρεολογίας τόσων και τόσων προϊόντων, όπως την αναλύσαμε παραπάνω, μια τέτοια διαδικασία είναι απολύτως επιτακτική.

Παύλος Σ. Στεφάνου

Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς

(Thermodynamics and Transport Phenomena Laboratory, T2PL)

Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Κύπρου