Den mærkelige videnskab bag oobleck (vand + majsstivelse)

Oobleck, opkaldt efter en klistret substans, der faldt ned fra himlen i en Dr. Seuss-historie og er allestedsnærværende på folkeskolens videnskabsmesser, er blot en tyk opløsning af majsstivelse i vand. Men det er ikke så simpelt, som det lyder.

Det er en “ikke-newtonsk” væske, der ikke reagerer på ydre kræfter, som man kunne forvente. Jo hårdere du rører i den, jo tykkere bliver den, og jo mere den modstår din omrøring. Hvis man rammer det hårdt nok, f.eks. med en hammer, bliver det straks så hårdt, at det splintrer.

YouTube er fyldt med videoer af folk, der løber over vandbassiner fyldt med denne slim. Trykket fra en fod, der rammer overfladen, får væsken til at blive tykkere under den nok til at støtte løberen.

via GIPHY

Nu er fysikere i stand til at forklare, hvordan det fungerer.

Fænomenet, der lader oobleck gøre, hvad det gør, kaldes “shear thickening”, en proces, der opstår i materialer, der består af mikroskopiske faste partikler, der er suspenderet i en væske. Eksempler herpå er boremudder, der anvendes i oliebrønde, og væske, der anvendes til at koble biltransmissioner til hjulene.

En type af kropsbeskyttelse anvender en opløsning af polymerpartikler, der er gennemvædet i porøse fibre; normalt er de fleksible, men når en kugle rammer dem, bliver de faste. Shearfortykkelse er en udfordring i mange industrielle processer, hvor målet er at få væsker til at flyde glat.

Årtiers debat

Selv i det enkleste system med partikler suspenderet i en væske er der dog stadig en debat om mekanismen for fortykkelse. En foreslået teori er, at friktion mellem de faste partikler låser dem fast i konfigurationer, der modstår strømmen; den anden er, at når partiklerne skubbes tættere på hinanden, bremser modstanden fra aftapning af væsken mellem dem deres bevægelse og låser partiklerne fast i klynger.

Debatten har stået på i årtier, fordi der ikke er nogen måde at observere direkte, hvad der sker på nanoskalaen.

Så Itai Cohen, lektor i fysik ved Cornell University, fandt på et eksperiment, hvor adfærd i hverdagsverdenen afslører, hvad der sker dybt inde i kroppen. Resultaterne er offentliggjort i Physical Review Letters.

Hvad der virkelig sker

Hvis det er væske, der skubbes ud mellem partiklerne, der bremser bevægelsen, ræsonnerede forskerne, så vil det, når forskerkraften vendes, skabe den samme modstand, da væsken skal strømme ind igen.

Hvis det bare er faste partikler, der støder ind i hinanden, så vil kontaktspændingen mellem dem forsvinde, så snart forskerkraften ophæves. Den umiddelbare reaktion på en pludselig ændring i forskydningskraften vil besvare spørgsmålet.

For at observere denne effekt anvendte de “shearing reversal” ved hjælp af et apparat, der indsætter en sonde i en testvæske og klipper den lige længe nok til at forårsage fortykkelse, og derefter hurtigt vender om for at trække i den modsatte retning.

Fejlige sensorer på akslen måler væskens øjeblikkelige modstand mod at blive skubbet eller trukket. De brugte en “laboratoriekvalitet” suspension af sfæriske mikropartikler for at isolere virkningerne af partikelinteraktioner.

Eksperimentet viste, at der var en ubetydelig modstand ved at trække tilbage. Det betyder, at selv om væsken strømmer ud, når partiklerne mødes, og tilbage, når de adskilles, så er den resulterende kraft ikke ansvarlig for den faktiske fortykkelsesmodstand. Kontaktkraften dominerer, så friktion mellem partiklerne er den primære mekanisme for forskydningsfortykkelse.

“Når vi kender den underliggende mekanisme, kan vi designe industrielle processer til at håndtere disse væsker bedre og kan ‘tune’ væskens egenskaber ved at justere friktionen mellem mikropartiklerne”, siger kandidatstuderende Neil Lin, der er førsteforfatter på artiklen. En anden måde at indstille effekten på er ved at variere koncentrationen af nanopartiklerne, så “nu har vi to knapper at dreje på.”

Forskere fra University of Edinburgh er medforfattere på undersøgelsen. National Science Foundation har støttet arbejdet.