I fluidi non newtoniani sono una classe di materiali che non seguono la legge di viscosità di Newton, la quale stabilisce che la viscosità di un fluido è costante e indipendente dalla forza applicata. In un fluido newtoniano, come l'acqua o l'aria, la relazione tra la tensione di taglio e il tasso di deformazione è lineare e proporzionale. Tuttavia, nei fluidi non newtoniani, questa relazione è molto più complessa. La loro viscosità può variare in base alla quantità di stress applicato, alla velocità di deformazione, e ad altri fattori come la temperatura e la composizione chimica. Questo comportamento peculiare rende i fluidi non newtoniani di grande interesse in molteplici settori scientifici e industriali.

La classificazione dei fluidi non newtoniani si basa principalmente sul loro comportamento reologico, che descrive come i fluidi rispondono a forze esterne. Esistono diverse categorie di fluidi non newtoniani, tra cui i fluidi pseudoplastici, i fluidi dilatanti, i fluidi viscoelastici e i fluidi Bingham. I fluidi pseudoplastici, come il ketchup e la vernice, presentano una viscosità che diminuisce con l'aumentare del tasso di deformazione. In altre parole, più si mescolano o si agitano, più diventano fluidi. Al contrario, i fluidi dilatanti, come una sospensione di amido in acqua, aumentano la loro viscosità con l'aumentare del tasso di deformazione, diventando quasi solidi se sottoposti a forze elevate. I fluidi viscoelastici, come il polimero di gomma, mostrano sia comportamenti viscosi che elastici; essi possono deformarsi sotto stress e mantenere la loro forma una volta rimosso lo stress. Infine, i fluidi di Bingham, come la pasta dentifricia, necessitano di una soglia minima di stress per iniziare a fluire, comportandosi come solidi fino a quel punto e come liquidi oltre.

Una delle applicazioni più comuni dei fluidi non newtoniani si trova nell'industria alimentare. Ad esempio, il cioccolato e il gelato sono fluidi pseudoplastici. Durante il processo di produzione e lavorazione, la loro viscosità deve essere controllata per garantire che possano essere facilmente versati o modellati, ma che mantengano anche la loro struttura una volta solidificati. Altri esempi includono le salse e le emulsioni, come la maionese, che devono avere una consistenza specifica per essere gradevoli al palato e stabili durante la conservazione.

Nell'industria della cosmetica, i fluidi non newtoniani sono utilizzati in prodotti come creme e lozioni. La loro capacità di adattarsi a diverse forze applicate permette una stesura uniforme e una sensazione piacevole sulla pelle. Inoltre, i fluidi non newtoniani sono ampiamente utilizzati nella produzione di vernici e rivestimenti. La loro reologia controllata consente di ottenere una finitura liscia e uniforme, minimizzando la formazione di bolle o imperfezioni.

Un altro campo in cui i fluidi non newtoniani giocano un ruolo cruciale è la medicina. Ad esempio, i fluidi non newtoniani possono essere utilizzati nella progettazione di nuovi dispositivi medici, come cateteri e pompe, dove la viscosità del fluido deve essere ottimizzata per il corretto funzionamento. Inoltre, nel campo della chirurgia, le soluzioni saline o i gel utilizzati per il lavaggio e la lubrificazione sono spesso progettati per avere comportamenti reologici specifici che facilitano l'intervento chirurgico.

Un esempio affascinante di fluido non newtoniano è il non-Newtonian cornstarch o oobleck, una miscela di amido di mais e acqua che mostra un comportamento dilatante. Quando viene esercitata una forza su di esso, come colpirlo o schiacciarlo, la miscela si indurisce e diventa quasi solida. Tuttavia, se si manipola lentamente, il composto fluirà come un liquido. Questo comportamento è stato spesso utilizzato in dimostrazioni scientifiche per illustrare le proprietà dei fluidi non newtoniani.

Per descrivere il comportamento reologico dei fluidi non newtoniani, esistono diverse formule e modelli. Uno dei più comuni è il modello di Carreau, che fornisce una relazione tra viscosità e tasso di deformazione. La viscosità apparente η può essere espressa come:

η(γ) = η₀ + (η∞ - η₀) [1 + (λγ)²]^(n-1)/2

dove η₀ è la viscosità a bassa deformazione, η∞ è la viscosità a alta deformazione, λ è un parametro di tempo caratteristico, γ è il tasso di deformazione e n è l'indice di potenza che indica il comportamento del fluido. Se n < 1, il fluido è pseudoplastico, mentre se n > 1, è dilatante.

Un altro modello utilizzato è il modello di Bingham, che descrive i fluidi che richiedono un certo stress di soglia per iniziare a fluire. In questo caso, la relazione tra tensione di taglio τ e tasso di deformazione γ è data da:

τ = τ₀ + ηₑγ

dove τ₀ è la tensione di soglia, ηₑ è la viscosità plastica e γ è il tasso di deformazione. Questo modello è utile per descrivere materiali come il cemento o la pasta dentifricia.

Lo sviluppo della comprensione dei fluidi non newtoniani ha coinvolto numerosi scienziati e ingegneri nel corso degli anni. Tra i pionieri di questo campo c'è stato il fisico britannico Sir Isaac Newton, il quale, sebbene non avesse studiato direttamente i fluidi non newtoniani, ha stabilito le basi per la reologia moderna. Successivamente, scienziati come Albert Einstein hanno contribuito a una migliore comprensione delle sospensioni e del loro comportamento, mentre nel XX secolo, ricercatori come Bingham e Carreau hanno sviluppato modelli matematici che hanno permesso di quantificare e prevedere il comportamento di questi fluidi.

Oggi, la ricerca sui fluidi non newtoniani continua a progredire, con applicazioni che spaziano dalla biotecnologia all'ingegneria dei materiali, fino alla fisica dei fluidi e alla scienza dei polimeri. Con l'avanzamento della tecnologia e delle tecniche sperimentali, i ricercatori sono in grado di esplorare sempre più in profondità le proprietà e le applicazioni di questi materiali affascinanti. La comprensione dei fluidi non newtoniani non solo ha rivoluzionato vari settori industriali, ma ha anche aperto nuove strade nella ricerca scientifica, offrendo opportunità per sviluppare nuovi materiali e tecnologie innovative.