Podivná věda oobleku (voda + kukuřičný škrob)

Oobleck, pojmenovaný podle mazlavé látky, která spadla z nebe v příběhu Dr. Seusse a je všudypřítomná na vědeckých výstavách na základních školách, je jen hustý roztok kukuřičného škrobu ve vodě. Ale není to tak jednoduché, jak to zní.

Je to „nenewtonská“ tekutina, která nereaguje na vnější síly tak, jak byste očekávali. Čím silněji ji mícháte, tím je hustší a tím více se vašemu míchání brání. Když do ní udeříš dostatečně silně, třeba kladivem, okamžitě ztvrdne natolik, že se roztříští.

Na YouTube je spousta videí, na kterých lidé běhají po kalužích naplněných tímto slizem. Tlak nohy narážející na hladinu způsobí, že kapalina pod ní zhoustne natolik, že běžce podrží.

via GIPHY

Nyní jsou fyzikové schopni vysvětlit, jak to funguje.

Jev, který umožňuje oobleku dělat to, co dělá, se nazývá „smykové zahušťování“, proces, ke kterému dochází v materiálech tvořených mikroskopickými pevnými částicemi suspendovanými v tekutině. Příkladem je vrtné bahno používané v ropných vrtech a kapalina používaná ke spojení automobilových převodovek s koly.

Jeden typ neprůstřelné vesty používá roztok polymerních částic nasáklých do porézních vláken; běžně jsou pružné, ale náraz kulky je změní na pevné. Smykové zahušťování je výzvou v mnoha průmyslových procesech, kde je cílem dosáhnout hladkého proudění kapalin.

Desetiletí diskusí

I v nejjednodušší soustavě částic suspendovaných v kapalině se však stále diskutuje o mechanismu zahušťování. Jedna z navrhovaných teorií říká, že tření mezi pevnými částicemi je uzamkne do konfigurací, které odolávají proudění; druhá teorie říká, že když se částice přiblíží, odpor odtékající kapaliny mezi nimi zpomalí jejich pohyb a uzamkne částice do shluků.

Diskuze se táhne už desítky let, protože neexistuje způsob, jak přímo pozorovat, co se děje v nanorozměrech.

Itai Cohen, docent fyziky na Cornellově univerzitě, proto přišel s experimentem, při němž chování v běžném světě odhaluje, co se děje hluboko uvnitř. Výsledky byly publikovány v časopise Physical Review Letters.

Co se skutečně děje

Pokud je to tekutina vytlačovaná z prostoru mezi částicemi, co zpomaluje pohyb, usoudili vědci, pak když se střižná síla obrátí, bude vytvářet stejný odpor, protože tekutina musí proudit zpět.

Pokud jde jen o pevné částice narážející do sebe, pak jakmile se střižná síla uvolní, kontaktní napětí mezi nimi zmizí. Na otázku odpoví okamžitá reakce na náhlou změnu střižné síly.

K pozorování tohoto efektu použili „obrácení střižné síly“ pomocí přístroje, který vloží sondu do testované kapaliny a stříhá ji jen tak dlouho, aby došlo k zahuštění, a pak se rychle obrátí a táhne opačným směrem.

Delikátní senzory na hřídeli měří okamžitý odpor kapaliny proti tlačení nebo tahání. Použili „laboratorní“ suspenzi sférických mikročástic, aby izolovali účinky interakcí částic.

Pokus ukázal, že odpor při zpětném tahu je zanedbatelný. To znamená, že ačkoli kapalina skutečně vytéká, když se částice spojují, a vrací se zpět, když se oddělují, výsledná síla nepředstavuje skutečný odpor při zahušťování. Dominuje kontaktní síla, takže tření mezi částicemi je hlavním mechanismem smykového zahušťování.

„Známe-li základní mechanismus, můžeme navrhovat průmyslové procesy pro lepší manipulaci s těmito kapalinami a můžeme ‚vyladit‘ vlastnosti kapaliny úpravou tření mikročástic,“ říká postgraduální student Neil Lin, první autor článku. Dalším způsobem vyladění efektu je změna koncentrace nanočástic, takže „nyní máme k dispozici dva knoflíky, kterými můžeme otáčet.“

Výzkumníci z Edinburské univerzity jsou spoluautory studie. Práci podpořila Národní vědecká nadace (National Science Foundation)

.