Υπερρευστότητα, Υπερκρίσιμα Ρευστά και Μη Νευτώνεια Υγρά

Μια Ανασκόπηση της Σύγχρονης Φυσικής και Χημείας των Ρευστών

Φαινόμενο της Υπερρευστότητας

Η υπερρευστότητα είναι ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον και μοναδικό φαινόμενο της Φυσικής των ρευστών, το οποίο παρατηρείται σε ορισμένα κβαντικά ρευστά όταν αυτά ψύχονται κοντά στο απόλυτο μηδέν. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε υγρό ήλιο-4 το 1937 από τον Pyotr Kapitsa, καθώς και από τους John F. Allen και Don Misener. Όταν το υγρό ήλιο-4 φτάνει σε θερμοκρασία κάτω των 2,17 Kelvin (το λεγόμενο Lambda point), υφίσταται μια δραματική μεταβολή στις ιδιότητές του, καθιστώντας το υπερρευστό, δηλαδή ένα ρευστό χωρίς ιξώδες [1].

[1] Το ιξώδες ενός ρευστού είναι ένα μέτρο της αντίστασής του στη ροή. Περιγράφει την εσωτερική τριβή ενός κινούμενου ρευστού. (π.χ. Το μέλι έχει μεγαλύτερο ιξώδες από το νερό.)

Στην κατάσταση της υπερρευστότητας, το υγρό παρουσιάζει δύο καταστάσεις ταυτόχρονα: μία συμβατική ρευστή φάση και μία υπερρευστή φάση. Η υπερρευστή φάση έχει ιδιότητες που μοιάζουν με αυτές των κβαντικών συστημάτων. Αυτό σημαίνει ότι το ρευστό ρέει χωρίς τριβή, μπορεί να ανέλθει στους τοίχους των δοχείων και να διαρρεύσει από τα παραμικρά κενά, κάτι που παραβιάζει τη συμβατική κατανόηση των ρευστών! Η κβαντική αυτή συμπεριφορά οφείλεται στη συμπύκνωση των μποζονίων σε μία και μόνο κβαντική κατάσταση χαμηλής ενέργειας, γνωστή ως το Bose-Einstein condensate.

Υπερκρίσιμα Ρευστά

Τα υπερκρίσιμα ρευστά είναι μια διαφορετική κατηγορία υλικών με μοναδικές ιδιότητες που τα καθιστούν εξαιρετικά χρήσιμα στη χημεία και τη βιομηχανία. Ένα ρευστό γίνεται υπερκρίσιμο όταν βρίσκεται σε θερμοκρασία και πίεση πάνω από τις αντίστοιχες κρίσιμες τιμές του, στο σημείο στο οποίο η διάκριση μεταξύ αερίου και υγρού παύει να υπάρχει. Σε αυτή την κατάσταση, το ρευστό παρουσιάζει ταυτόχρονα ιδιότητες αερίου και υγρού: μπορεί να διαλύει ουσίες όπως ένα υγρό, αλλά και να ρέει όπως ένα αέριο, καθιστώντας το ιδανικό για συγκεκριμένες βιομηχανικές και επιστημονικές εφαρμογές.

Ένα από τα πιο γνωστά υπερκρίσιμα ρευστά είναι το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), το οποίο γίνεται υπερκρίσιμο σε θερμοκρασία 31°C και πίεση 73,8 atm. Το υπερκρίσιμο CO₂ χρησιμοποιείται ευρέως ως διαλύτης στη βιομηχανία, ιδιαίτερα στη βιομηχανία τροφίμων για την εκχύλιση καφεΐνης από κόκκους καφέ ή για την παρασκευή αιθέριων ελαίων. Σε αυτή την κατάσταση, το CO₂ μπορεί να διαλύσει οργανικές ενώσεις, όπως τα έλαια, ενώ είναι εύκολο να αφαιρεθεί από το τελικό προϊόν απλώς με μείωση της πίεσης, με αποτέλεσμα ένα καθαρό, χωρίς χημικά υπολείμματα, προϊόν.

Μία άλλη σημαντική εφαρμογή των υπερκρίσιμων ρευστών είναι στην ενεργειακή βιομηχανία, ιδιαίτερα στη διαδικασία εξαγωγής πετρελαίου και φυσικού αερίου από δύσκολες γεωλογικές δομές, καθώς και στην παραγωγή καθαρής ενέργειας μέσω των υπερκρίσιμων κύκλων του νερού, όπου το νερό(H₂O) σε υπερκρίσιμη κατάσταση χρησιμοποιείται σε συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με βελτιωμένη απόδοση.

Μη Νευτώνεια Υγρά

Στην καθημερινότητά μας, είμαστε εξοικειωμένοι με την ιδέα των νευτώνιων υγρών, όπως το νερό και το λάδι, τα οποία έχουν σταθερό ιξώδες ανεξάρτητα από τη δύναμη που εφαρμόζεται πάνω τους. Ωστόσο, πολλά υγρά που συναντάμε στη βιομηχανία, τη φύση και την επιστήμη δεν υπακούουν σε αυτούς τους κανόνες και χαρακτηρίζονται ως μη νευτώνεια υγρά.

Η βασική διαφορά των μη νευτώνειων υγρών είναι ότι το ιξώδες τους δεν είναι σταθερό, αλλά μεταβάλλεται ανάλογα με την τάση διάτμησης (shear stress) που εφαρμόζεται πάνω τους. Αυτά τα υγρά μπορεί να παρουσιάζουν είτε αυξημένο ιξώδες όταν τους ασκείται δύναμη είτε μειωμένο ιξώδες. Οι μεταβολές στο ιξώδες εξαρτώνται από τη μικροδομή του ρευστού και τον τρόπο με τον οποίο αυτή η δομή ανταποκρίνεται στις εφαρμοζόμενες δυνάμεις.

Τα μη νευτώνεια υγρά κατηγοριοποιούνται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τη συμπεριφορά τους:

1. Ψευδοπλαστικά υγρά: Αυτά τα υγρά γίνονται πιο ρευστά όταν ασκείται δύναμη πάνω τους. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι τα υγρά χρώματα, τα οποία ρέουν πιο εύκολα όταν ανακινούνται ή συμπιέζονται.

1. Διλατταντικά υγρά: Αντίθετα, τα διλατταντικά υγρά γίνονται πιο ιξώδη όταν εφαρμόζεται δύναμη. Ένα γνωστό παράδειγμα είναι το άμυλο αραβοσίτου σε νερό (oobleck), το οποίο συμπεριφέρεται ως στερεό όταν ασκείται πάνω του ξαφνική δύναμη, αλλά ως υγρό όταν διατηρείται ήπια.

1. Θιξοτροπικά υγρά: Αυτά τα υγρά εμφανίζουν μείωση στο ιξώδες τους με την πάροδο του χρόνου όταν υφίστανται διατμητικές δυνάμεις. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η λάσπη, η οποία ρέει πιο εύκολα όταν της ασκούνται διαρκώς δυνάμεις.

Tα μη νευτώνεια υγρά έχουν μεγάλες εφαρμογές σε υλικά υψηλής τεχνολογίας, όπως τα έξυπνα υγρά (smart fluids) που χρησιμοποιούνται σε αναρτήσεις οχημάτων και σε άλλες τεχνολογικές εφαρμογές.

Η μελέτη τους προάγει τη βαθύτερη κατανόηση της ύλης σε διαφορετικές καταστάσεις και προσφέρει δυνατότητες για μελλοντικές τεχνολογικές εξελίξεις, όπως φιλικές προς το περιβάλλον παραγωγικές διαδικασίες και καινοτόμες λύσεις για προκλήσεις στη βιομηχανία και την ενέργεια.

Αξίζει να αναζητήσετε επίσης: 

https://youtu.be/2Z6UJbwxBZI

https://www.youtube.com/watch?v=GEr3NxsPTOA