Viscositeit: waarom de 'dikte' van vloeistoffen bepaalt hoe onze technologie werkt
Giet een glas water leeg en het schiet er in een oogwenk uit. Doe hetzelfde met honing en het duurt seconden voordat de laatste druppel de fles verlaat. Dat verschil in traagheid heet viscositeit: de weerstand die een vloeistof (of gas) biedt tegen vervorming en stroming. Hoe hoger de viscositeit, hoe 'stroperiger' een stof zich gedraagt en hoe meer kracht nodig is om hem te laten bewegen.
Viscositeit klinkt als een schoolboekbegrip uit de natuurkunde, maar het speelt een sleutelrol in veel technologie waar nieuwssites over toekomsttechnologie regelmatig over schrijven: van de inkt in een 3D-bioprinter die weefsel moet nabootsen, tot de gel in een nieuwe generatie batterijen, tot de lava die vulkanologen proberen te voorspellen. Wie begrijpt hoe viscositeit werkt, begrijpt een verborgen laag achter veel innovaties.
Wat is het precies?
Viscositeit ontstaat door wrijving tussen de moleculen in een vloeistof. Denk aan een stapel dunne plakjes die over elkaar heen schuiven: hoe meer de plakjes aan elkaar 'kleven', hoe meer kracht nodig is om ze te laten glijden. In water zijn de moleculen klein en glijden ze relatief makkelijk langs elkaar; in honing zijn de suikermoleculen groter en vormen ze meer onderlinge bindingen, wat de stroming afremt.
Natuurkundigen maken onderscheid tussen dynamische viscositeit (uitgedrukt in pascalseconde, Pa·s) en kinematische viscositeit (die ook rekening houdt met de dichtheid van de stof). De basiswet werd al in 1687 beschreven door Isaac Newton: voor de meeste alledaagse vloeistoffen is de weerstand recht evenredig met de snelheid waarmee je ze vervormt. Zulke stoffen heten Newtoniaans.
Maar veel interessante materialen gedragen zich anders. Ketchup wordt dunner als je hem schudt, terwijl een mengsel van maizena en water juist stijver wordt onder druk (het bekende 'oobleck'-effect). Zulke niet-Newtoniaanse vloeistoffen zijn lastiger te voorspellen en vormen een apart onderzoeksveld: de rheologie, de wetenschap van vervorming en stroming van materie. Metingen gebeuren met instrumenten die viscometers of, voor complexere stoffen, rheometers heten. Temperatuur speelt bijna altijd een grote rol: verwarm honing en hij wordt meteen vloeibaarder, wat ook geldt voor motorolie of gesmolten gesteente.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers en ingenieurs willen viscositeit vooral twee dingen laten doen: voorspellen en controleren. Voorspellen is belangrijk bij natuurverschijnselen zoals lavastromen, gletsjerbewegingen of het gedrag van bloed in bloedvaten, waarbij viscositeit bepaalt hoe snel en in welke vorm iets zich verplaatst. Controleren is belangrijk in fabrieksprocessen en producten: een verf moet vloeibaar genoeg zijn om aan te brengen maar stroperig genoeg om niet meteen weg te lopen; motorolie moet bij lage én hoge temperatuur precies de juiste dikte houden om onderdelen te smeren zonder ze te laten vastlopen.
In opkomende technologie gaat het vaak om een precieze balans. Bij 3D-printen met 'bio-inkt' (een mengsel met levende cellen) moet de inkt dun genoeg zijn om door een naald te spuiten, maar direct daarna stevig genoeg worden om zijn vorm te houden. Bij batterijen bepaalt de viscositeit van de elektrolyt (de geleidende vloeistof of gel tussen de elektroden) hoe snel ionen kunnen bewegen, wat weer invloed heeft op laadsnelheid en veiligheid. Het doel is steeds hetzelfde: materialen ontwerpen met precies de stroomeigenschappen die een toepassing nodig heeft, in plaats van genoegen te nemen met wat de natuur toevallig biedt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het pekdruppel-experiment van de Universiteit van Queensland (Australië) is het beroemdste langlopende viscositeitsexperiment ter wereld. Natuurkundige Thomas Parnell zette het in 1927 op om te laten zien dat pek (bitumen), dat hard aanvoelt, in werkelijkheid een extreem trage vloeistof is. Er is sindsdien pas negen keer een druppel gevallen, voor het laatst in 2014; de viscositeit van pek wordt geschat op zo'n 230 miljard keer die van water.
Bij vulkanen gebruikt het Hawaiian Volcano Observatory van de Amerikaanse geologische dienst USGS metingen van lava-viscositeit om uitbarstingen te volgen, zoals tijdens de grote eruptie van de Kilauea in 2018. Dunnere, snelvloeiende lava gedraagt zich heel anders dan stroperige, taaie lava, en dat verschil is bepalend voor evacuatieplannen.
In de batterij-industrie werken bedrijven als QuantumScape (VS, opgericht in 2010) aan vaste-stof- en gelelektrolyten waarbij viscositeit en ionengeleiding tegen elkaar worden afgewogen: te dun is onveilig, te dik remt de prestaties.
De voedingsindustrie is een minder zichtbaar maar enorm domein voor rheologie: onderzoekers bij Wageningen University & Research en bedrijfslaboratoria van voedingsconcerns bestuderen de viscositeit van sauzen, chocolade en zuivel om textuur en 'mondgevoel' consistent te houden, ongeacht productiepartij.
Bij het Wyss Institute van Harvard University wordt al sinds het midden van de jaren 2010 onderzoek gedaan naar bio-inkten voor 3D-bioprinten, waarbij de viscositeit van het materiaal precies moet worden afgestemd zodat cellen overleven én de geprinte structuur zijn vorm behoudt.
Hoe ver is de techniek?
Het meten van viscositeit zelf is oude, zeer volwassen wetenschap: al in de negentiende eeuw beschreef de Franse arts Jean Léonard Marie Poiseuille hoe vloeistoffen door nauwe buizen stromen, werk dat mede aan de basis staat van de moderne rheologie. Voor gangbare vloeistoffen bij normale temperatuur en druk is meten en voorspellen routine, vastgelegd in internationale normen van organisaties als ASTM en ISO.
De uitdagingen zitten tegenwoordig vooral aan de randen. Complexe, niet-Newtoniaanse materialen zoals bloed, printbare gels of batterij-elektrolyten zijn lastig te modelleren omdat hun gedrag verandert met snelheid, temperatuur en tijd. Onderzoekers experimenteren de laatste jaren met machine learning om de viscositeit van nieuwe materiaalmengsels sneller te voorspellen dan met traditionele laboratoriumtests, maar deze modellen zijn nog geen vervanging voor echte metingen en moeten per materiaalklasse opnieuw worden getraind en gevalideerd.
Ook extreme omstandigheden blijven lastig: viscositeit meten diep in de aardmantel, in de kern van een kernreactor, of in superkoude 'superfluïde' helium (dat opmerkelijk genoeg vrijwel geen viscositeit heeft) vraagt gespecialiseerde apparatuur en blijft deels theoretisch werk. Voor klimaatmodellen is de viscositeit van ijs en oceaanwater een belangrijke maar onzekere factor bij het voorspellen van hoe snel ijskappen bewegen en zeespiegelstijging verloopt; hier lopen schattingen tussen wetenschappelijke studies nog uiteen.
Wie werken eraan?
Metrologie-instituten zoals het Amerikaanse NIST (National Institute of Standards and Technology) en het Britse National Physical Laboratory beheren de officiële meetstandaarden voor viscositeit. Op materiaalkundig vlak doet het Duitse Max-Planck-Institut für Polymerforschung fundamenteel onderzoek naar de stroomeigenschappen van polymeren en gels.
In Nederland zijn Wageningen University & Research (voedingsrheologie) en technische universiteiten zoals TU Delft (procestechnologie en complexe vloeistoffen) actief. Op het gebied van aardwetenschappen speelt de Amerikaanse USGS een centrale rol bij vulkanologisch viscositeitsonderzoek, terwijl de Universiteit van Queensland in Australië bekendstaat om het pekdruppel-experiment.
In de industrie werken bedrijven als QuantumScape en grote autofabrikanten die aan vaste-stofbatterijen bouwen aan elektrolytviscositeit, terwijl voedingsmultinationals eigen rheologielaboratoria hebben. Internationaal wetenschappelijk overleg vindt plaats via verenigingen als The Society of Rheology, die congressen en vaktijdschriften organiseert waar nieuwe metingen en modellen worden gedeeld.