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物理化学や流体力学において、非ニュートン流体とは、ニュートンの粘性法則に従わない流体、つまり応力に応じて粘度が変化する流体のことです。特に、非ニュートン流体の粘度は、力が加わると変化することがあります。例えば、ケチャップは振るとサラサラになるので、非ニュートン流体です。多くの塩溶液や溶融ポリマーは非ニュートン流体であり、カスタード[ 1 ] 、歯磨き粉、デンプン懸濁液、塗料、血液、溶けたバター、シャンプーなど、一般的に見られる多くの物質も同様です 。
一般的に、非ニュートン流体の粘度（せん断応力または引張応力による漸進的な変形）は、せん断速度またはせん断速度履歴に依存します。ただし、せん断に依存しない粘度を持つ非ニュートン流体の中には、法線応力差やその他の非ニュートン挙動を示すものもあります。ニュートン流体では、せん断応力とせん断速度の関係は原点を通る線形であり、比例定数は粘性係数です。非ニュートン流体では、せん断応力とせん断速度の関係は異なります。流体は時間依存の粘度を示すことさえあります。したがって、一定の粘性係数を定義することはできません。
流体力学では、流体のせん断特性を表すために粘度という概念が一般的に用いられますが、非ニュートン流体を記述するには不十分な場合があります。非ニュートン流体は、振動せん断流や伸張流など、さまざまな流れ条件下における応力テンソルとひずみ速度テンソルの関係を示す、他のいくつかのレオロジー特性を用いて研究するのが最適です。これらの特性は、さまざまな装置やレオメーターを用いて測定されます。これらの特性は、連続体力学の分野でよく用いられるテンソル値の構成方程式を用いることで、より適切に研究できます。
非ニュートン流体の粘度には、時間に依存しない擬塑性、塑性、およびダイラタントの流れと、時間に依存するチキソトロピーおよびレオペクティックの流れがあります。定義した著者によって識別できる、よく知られた時間依存の非ニュートン流体は、Oldroyd-B モデル[ 2 ] 、 Walters の Liquid B [ 3 ]、および Williamson [ 4 ]流体です。
非線形速度依存応力テンソルを持つLadyzenskaya型モデルの時間依存自己相似解析が行われた。 [ 5 ]解析解は導出できなかったが、解に対する厳密な数学的存在定理[ 6 ]が与えられた。
時間によらない非ニュートン流体の場合、既知の解析解ははるかに広範囲に及ぶ。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
せん断増粘性流体（すなわちダイラタント流体）の粘度は、せん断速度が増加すると増加するように見える。水に懸濁させたコーンスターチ（「ウーブレック」、下記参照）は、その典型的な例である。ゆっくりかき混ぜると乳白色に見えるが、激しくかき混ぜると非常に粘性の高い液体のように感じられる。
その反対の例として、せん断減粘性流体、または擬塑性流体としてよく知られているのが壁用塗料です。塗料は、表面に塗布する際にブラシから容易に流れ落ちるものの、過度に垂れ落ちてはいけません。チキソトロピー性流体はすべて極めてせん断減粘性が高いものの、その変化は時間依存性が大きいのに対し、コロイド状の「せん断減粘性」流体はせん断速度の変化に瞬時に反応することに注意してください。そのため、混乱を避けるために、後者の分類はより明確に擬塑性流体と呼ばれます。
せん断減粘性流体のもう一つの例は血液です。この特性は体内において非常に好まれており、せん断ひずみ速度の増加に伴って血液の粘度が低下するという性質を持っています。
せん断応力とせん断ひずみの関係が線形であるものの、流れ始める前に有限の降伏応力を必要とする流体（せん断応力とせん断ひずみの関係を示すグラフが原点を通らない流体）は、ビンガム塑性流体と呼ばれます。例としては、粘土懸濁液、掘削泥水、歯磨き粉、マヨネーズ、チョコレート、マスタードなどが挙げられます。ビンガム塑性流体の表面は、静止状態でも山状の形状を持つことがあります。これに対し、ニュートン流体は、静止状態では平坦で特徴のない表面を持ちます。
ひずみ速度が時間の関数となる流体も存在する。一定のひずみ速度を維持するために徐々に増加するせん断応力を必要とする流体は、レオペクティック流体と呼ばれる。これとは反対に、時間とともに粘度が低下し、一定のひずみ速度を維持するために減少する応力を必要とする流体（チキソトロピー流体）もある。
多くの一般的な物質は非ニュートン流動を示します。これらには以下が含まれます。
安価で無毒な非ニュートン流体の例としては、水にデンプン（例えば、コーンスターチ/コーンフラワー）を懸濁させたものがあり、これは「ウーブレック」、「ウーズ」、「マジックマッド」などと呼ばれることもあります（水1に対してコーンスターチ1.5～2の割合）。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]「ウーブレック」という名前は、ドクター・スースの絵本『バーソロミューとウーブレック』に由来しています。[ 17 ]
ウーブレックは膨張性を持つため、その特異な挙動を示すデモンストレーションによく用いられます。ウーブレックはせん断増粘性を持つため、人が大きな容器に入ったウーブレックの上を歩いても沈むことはありません。ただし、十分な力を加えて一歩ごとに増粘させるだけの速さで歩く必要があります。また、ウーブレックを十分な音量で駆動する大型サブウーファーの上に置くと、スピーカーからの低周波音波に反応して増粘し、定常波を形成します。ウーブレックを殴ったり叩いたりすると、増粘して固体のように振る舞います。打撃の後、ウーブレックは再び薄い液体のような状態に戻ります。
フラバー（一般的にはスライムとも呼ばれる）は、ポリ酢酸ビニル系接着剤（白い「学校用」接着剤など）とホウ砂から簡単に作れる非ニュートン流体です。低応力下では流動しますが、高応力と高圧下では破壊されます。流体のような性質と固体のような性質を併せ持つことから、マックスウェル流体と呼ばれます。その挙動は粘塑性またはゼラチン状とも表現できます。[ 20 ]
非ニュートン流体の流れのもう1つの例は、冷やしたキャラメルアイスクリームのトッピングです（カラギーナンやジェランガムなどのハイドロコロイドが含まれている場合）。指で表面を突いたり、容器を素早くひっくり返したりするなど、急激な力を加えると、流体は液体ではなく固体のように振る舞います。これがこの非ニュートン流体の「せん断増粘」特性です。スプーンをゆっくり差し込むなど、より穏やかな扱いをすると、液体の状態のままになります。しかし、スプーンを再び勢いよく引き抜こうとすると、一時的な固体の状態に戻ります。[ 21 ]
スライムはシリコーンポリマーを主成分とする懸濁液で、ひずみ速度に応じて流動したり、跳ね返ったり、割れたりする性質を持つ。
植物樹脂は粘弾性のある固体ポリマーです。容器に入れておくと、液体のようにゆっくりと流れ、容器の形状に沿って広がります。しかし、強い衝撃を受けると、固体のように砕け散ります。
流砂は、静止状態では粘度が増す、せん断減粘性の非ニュートン流体コロイドです。流砂の非ニュートン流体としての性質は、わずかな衝撃（例えば、人がその上を歩いたり、棒でかき混ぜたりしたとき）を受けた際に観察できます。流砂はゲル相とゾル相の間を遷移し、液状化するように見え、流砂の表面にある物体が沈みます。
ケチャップはせん断減粘性流体です。[ 12 ] [ 22 ]せん断減粘とは、せん断応力が増加するにつれて流体の粘度が低下することを意味します。言い換えれば、流体の動きは最初は変形速度が遅い場合は困難ですが、速度が速い場合はより自由に流れます。逆さまにしたケチャップのボトルを振ると、せん断減粘によって粘度が低下し、ボトルから注ぎやすくなります。
特定の条件下では、粒状物質の流れを連続体としてモデル化することができます。例えば、μ ( I )レオロジーを用いる場合などです。このような連続体モデルは非ニュートン流体となる傾向があります。なぜなら、粒状物質の流れの見かけの粘度は圧力とともに増加し、せん断速度とともに減少するからです。主な違いは、せん断応力とせん断速度です。