Shear‑Thinning: Das Prinzip einer nicht‑newtonschen Flüssigkeit

Viele Alltagsmaterialien – von Tomatenketchup über Malerfarbe bis hin zu Tomatenpüree – zeigen ein überraschendes Verhalten: Sie werden dünnflüssiger, sobald man Kraft auf sie ausübt. Dieses Phänomen nennt man shear‑thinning und gehört zur Klasse der nicht‑newtonschen Fluide. Im Gegensatz zu Wasser, das seine Viskosität unabhängig von der aufgebrachten Scherung behält, ändert ein shear‑thinning‑Fluid seine Fließfähigkeit, wenn er geschert wird.

Wie entsteht die Veränderung?

In ruhigem Zustand besteht Ketchup aus einer komplexen Mischung aus Wasser, gelösten Salzen, Pektin‑Polymeren und winzigen Tomaten‑Zellfragmenten. Diese Bestandteile bilden ein lockeres, ungeordnetes Netzwerk, das den Fluss hemmt. Sobald man rührt, schüttelt oder die Flasche stark gegen die Wand schlägt, entsteht eine Scherung. Die langen Molekülketten und Partikel richten sich entlang der Strömungsrichtung aus, das innere Gerüst wird gestört und die intermolekularen Bindungen lockern sich. Das Ergebnis: Das Gemisch fließt plötzlich deutlich leichter.

Der Gegenpol: Shear‑Thickening bei Maisstärke‑Wasser‑Mischungen

Ein völlig anderes Beispiel liefert die klassische Mischung aus Maisstärke und Wasser, die oft in Schulversuchen gezeigt wird. Bei langsamer, gleichmäßiger Bewegung gleiten die Stärkekörner aneinander vorbei, sodass die Mischung flüssig erscheint. Wird jedoch plötzlich ein starker Stoß ausgeübt, geraten die Körner in engem Kontakt, die Reibung steigt und das Gemisch verhärtet sich fast sofort. Dieser Effekt wird als shear‑thickening bezeichnet.

Warum das im Alltag wichtig ist

Die unterschiedlichen Reaktionen von shear‑thinning‑ und shear‑thickening‑Flüssigkeiten haben praktische Konsequenzen. Maler benötigen Farbe, die beim Auftragen leicht fließt, danach aber an der Wand haften bleibt – ein typisches shear‑thinning‑Verhalten. Ketchup‑Hersteller hingegen wollen, dass das Produkt im ruhigen Zustand dickflüssig bleibt, um ein Auslaufen zu verhindern, aber beim Schütteln oder Drücken aus der Flasche fließt. Das Verständnis dieser physikalischen Prinzipien ermöglicht gezielte Formulierungen, die exakt den gewünschten Fließeigenschaften entsprechen.

Zusammenfassung: Flüssigkeiten mit Persönlichkeit

Obwohl Ketchup und Maisstärke‑Wasser‑Mischungen beide als „komische Flüssigkeiten“ gelten, reagieren sie exakt entgegengesetzt auf äußere Kräfte. Ketchup wird dünnflüssiger, wenn man es schüttelt – ein klassisches Beispiel für shear‑thinning. Die Maisstärke‑Mischung hingegen wird fest, wenn man sie plötzlich belastet – ein typisches shear‑thickening‑Verhalten. Diese Gegensätze verdeutlichen, dass Viskosität kein fixer Wert, sondern ein dynamisches Merkmal ist, das stark von der Art der einwirkenden Scherung abhängt.

Source: https://scientias.nl/tomatenketchup-is-gaaf-het-is-een-shear-thinning-non-newtonian-fluid/