A ciência estranha por trás do oobleck (água + amido de milho)

Oobleck, nomeado por uma substância viscosa que caiu do céu em uma história do Dr. Seuss e ubíqua nas feiras de ciências do ensino fundamental, é apenas uma solução espessa de amido de milho em água. Mas não é tão simples como parece.

É um fluido “não newtoniano” que não responde a forças externas como seria de esperar. Quanto mais o agita, mais grosso fica e mais resiste à sua agitação. Bata com força suficiente, digamos com um martelo, e instantaneamente endurece o suficiente para quebrar.

YouTube está cheio de vídeos de pessoas correndo através de piscinas cheias de gosma. A pressão de um pé batendo na superfície faz com que o líquido engrosse o suficiente para suportar o corredor.

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Agora os físicos são capazes de explicar como funciona.

O fenômeno que deixa o oobleck fazer o que ele faz é chamado de “cisalhamento espessante”, um processo que ocorre em materiais compostos de partículas sólidas microscópicas suspensas em um fluido. Exemplos incluem lama de perfuração usada em poços de petróleo e fluido usado para acoplar transmissões automotivas às rodas.

Um tipo de carroceria usa uma solução de partículas poliméricas embebidas em fibra porosa; normalmente flexível, mas o impacto de uma bala a torna sólida. O espessamento por cisalhamento é um desafio em muitos processos industriais onde o objetivo é fazer fluir fluidos suavemente.

Décadas de debate

No sistema mais simples de partículas suspensas em um líquido, entretanto, ainda há um debate sobre o mecanismo de espessamento. Uma teoria proposta é que o atrito entre as partículas sólidas as trava em configurações que resistem ao fluxo; a outra é que à medida que as partículas são empurradas para mais perto, a resistência de drenar o líquido entre elas retarda seu movimento e trava as partículas em aglomerados.

O debate tem continuado por décadas porque não há como observar diretamente o que está acontecendo na nanoescala.

Então Itai Cohen, professor associado de física da Universidade de Cornell, fez uma experiência em que o comportamento no mundo cotidiano revela o que está acontecendo lá no fundo. Os resultados estão publicados em Physical Review Letters.

What’s really happening

If fluid being pushed out from between the particles is what’s slow down movement, researchers reasoned, then when the shearing force is reversed, it will generate the same resistance since the fluid needs to flow back in.

If it’s just solid particles bumping into each other, then as soon as the shearing force is released the contact stress between them will disappear. A resposta imediata a uma mudança repentina na força de cisalhamento responderá à pergunta.

Para observar esse efeito eles empregaram “inversão de cisalhamento”, usando um aparelho que insere uma sonda em um fluido de teste e a cisalha apenas o tempo suficiente para causar espessamento, e então reverte rapidamente para puxar na direção oposta.

Delicam os sensores no eixo para medir a resistência instantânea do fluido a ser empurrado ou puxado. Eles usaram uma suspensão de “grau laboratorial” de micropartículas esféricas para isolar os efeitos das interações das partículas.

A experiência mostrou que havia uma resistência desprezível ao puxar para trás. Isto significa que enquanto o líquido flui à medida que as partículas se juntam e voltam à medida que se separam, a força resultante não é responsável pela resistência real ao espessamento. A força de contato domina, portanto o atrito entre partículas é o principal mecanismo de espessamento de cisalhamento.

“Conhecendo o mecanismo subjacente, podemos projetar processos industriais para lidar melhor com esses fluidos e podemos ‘afinar’ as propriedades de um fluido ajustando o atrito das micropartículas”, diz o estudante de pós-graduação Neil Lin, primeiro autor do trabalho. Outra forma de afinar o efeito é variando a concentração das nanopartículas, portanto “Agora temos dois botões para girar”

Pesquisadores da Universidade de Edimburgo são co-autores do estudo. A National Science Foundation apoiou o trabalho.