Die seltsame Wissenschaft hinter Oobleck (Wasser + Maisstärke)

Oobleck, benannt nach einer klebrigen Substanz, die in einer Geschichte von Dr. Seuss vom Himmel fiel und bei Wissenschaftsmessen in der Grundschule allgegenwärtig ist, ist einfach eine dicke Lösung aus Maisstärke in Wasser. Aber es ist nicht so einfach, wie es sich anhört.

Es ist eine „nicht-newtonsche“ Flüssigkeit, die auf äußere Kräfte nicht so reagiert, wie man es erwarten würde. Je stärker man sie rührt, desto dicker wird sie und desto mehr widersteht sie dem Rühren. Schlägt man hart genug zu, z. B. mit einem Hammer, härtet es sofort so stark aus, dass es zerbricht.

YouTube ist voll von Videos von Menschen, die über mit dem Glibber gefüllte Becken laufen. Der Druck eines Fußes, der auf die Oberfläche auftrifft, bewirkt, dass sich die Flüssigkeit unter ihm so weit verdickt, dass sie den Läufer trägt.

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Jetzt können Physiker erklären, wie das funktioniert.

Das Phänomen, das Oobleck zu dem macht, was er tut, nennt man „Scherverdickung“, ein Prozess, der bei Materialien auftritt, die aus mikroskopisch kleinen festen Partikeln bestehen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind. Beispiele hierfür sind der Bohrschlamm in Ölquellen und die Flüssigkeit, mit der die Getriebe von Kraftfahrzeugen an die Räder gekoppelt werden.

Eine Art von Körperpanzerung besteht aus einer Lösung von Polymerpartikeln, die in poröse Fasern getränkt sind, die normalerweise flexibel sind, aber durch den Aufprall einer Kugel fest werden. Die Scherverdickung ist eine Herausforderung bei vielen industriellen Prozessen, bei denen Flüssigkeiten reibungslos fließen sollen.

Jahrzehntelange Debatte

Selbst bei dem einfachsten System von Partikeln, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, gibt es jedoch immer noch eine Debatte über den Mechanismus der Verdickung. Eine vorgeschlagene Theorie besagt, dass die Reibung zwischen den festen Teilchen sie in Konfigurationen einschließt, die der Strömung widerstehen; die andere besagt, dass, wenn die Teilchen näher zusammengedrückt werden, der Widerstand durch das Abfließen der Flüssigkeit zwischen ihnen ihre Bewegung verlangsamt und die Teilchen in Clustern einschließt.

Die Debatte wird seit Jahrzehnten geführt, weil es keine Möglichkeit gibt, direkt zu beobachten, was auf der Nanoskala geschieht.

Itai Cohen, außerordentlicher Professor für Physik an der Cornell University, hat daher ein Experiment entwickelt, bei dem das Verhalten in der alltäglichen Welt Aufschluss darüber gibt, was tief im Inneren geschieht. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Was wirklich passiert

Wenn es die Flüssigkeit ist, die zwischen den Partikeln herausgedrückt wird, die die Bewegung verlangsamt, so die Überlegung der Forscher, dann wird sie, wenn die Scherkraft umgekehrt wird, den gleichen Widerstand erzeugen, da die Flüssigkeit wieder hineinfließen muss.

Wenn es nur feste Partikel sind, die aneinander stoßen, dann verschwindet die Kontaktspannung zwischen ihnen, sobald die Scherkraft aufgehoben wird. Die unmittelbare Reaktion auf eine plötzliche Änderung der Scherkraft wird die Frage beantworten.

Um diesen Effekt zu beobachten, verwendeten sie die „Scherungsumkehr“, ein Gerät, das eine Sonde in eine Testflüssigkeit einführt und sie gerade lange genug schert, um eine Verdickung zu bewirken, und dann schnell umkehrt, um in die entgegengesetzte Richtung zu ziehen.

Feine Sensoren am Schaft messen den momentanen Widerstand der Flüssigkeit, wenn sie geschoben oder gezogen wird. Die Forscher verwendeten eine Suspension aus kugelförmigen Mikropartikeln in Laborqualität, um die Auswirkungen der Partikelwechselwirkungen zu isolieren.

Das Experiment zeigte, dass der Widerstand beim Zurückziehen vernachlässigbar ist. Das bedeutet, dass die Flüssigkeit zwar ausfließt, wenn die Partikel zusammenkommen, und zurückfließt, wenn sie sich trennen, aber die daraus resultierende Kraft ist nicht für den tatsächlichen Verdickungswiderstand verantwortlich. Die Kontaktkraft dominiert, so dass die Reibung zwischen den Partikeln der primäre Mechanismus für die Scherverdickung ist.

„Wenn wir den zugrundeliegenden Mechanismus kennen, können wir industrielle Prozesse so gestalten, dass diese Flüssigkeiten besser gehandhabt werden können, und wir können die Eigenschaften einer Flüssigkeit ‚abstimmen‘, indem wir die Reibung der Mikropartikel anpassen“, sagt der Doktorand Neil Lin, Erstautor der Arbeit. Eine weitere Möglichkeit, den Effekt zu beeinflussen, besteht darin, die Konzentration der Nanopartikel zu variieren, so dass „wir jetzt zwei Regler haben, an denen wir drehen können“

Forscher der Universität Edinburgh sind Mitautoren der Studie. Die National Science Foundation unterstützte die Arbeit.