Oobleckin (vesi + maissitärkkelys) outo tiede

Oobleck, joka on saanut nimensä Dr. Seussin tarinassa taivaalta pudonneen tahmean aineen mukaan ja joka on jokapaikan päällä alakoulujen luonnontieteiden messuilla, on vain paksua maissitärkkelyksen liuosta vedessä. Mutta se ei ole niin yksinkertaista kuin miltä se kuulostaa.

Se on ”ei-newtonilainen” neste, joka ei reagoi ulkoisiin voimiin odotetulla tavalla. Mitä kovemmin sitä sekoitat, sitä paksummaksi se muuttuu ja sitä enemmän se vastustaa sekoittamista. Jos sitä lyö tarpeeksi kovaa, vaikkapa vasaralla, se kovettuu välittömästi niin kovaksi, että se voi murskaantua.

YouTube on täynnä videoita, joissa ihmiset juoksevat limaa täynnä olevien lammikoiden yli. Pintaan osuvan jalan paine saa nesteen paksuuntumaan sen alla niin paljon, että se tukee juoksijaa.

via GIPHY

Nyt fyysikot pystyvät selittämään, miten se toimii.

Ilmiö, joka saa oobleckin tekemään sen, mitä se tekee, on nimeltään ”shear thickening” (leikkaava paksuuntuminen), eli prosessi, joka tapahtuu materiaaleissa, jotka koostuvat nesteeseen suspendoituneista mikroskooppisen pienistä kiintoainehiukkasista. Esimerkkeinä voidaan mainita öljylähteissä käytettävä porausliete ja neste, jota käytetään autojen vaihteistojen ja pyörien kytkemiseen.

Eräässä panssarityypissä käytetään liuosta, joka koostuu huokoiseen kuituun imeytyneistä polymeerihiukkasista; se on tavallisesti joustava, mutta luodin isku muuttaa sen kiinteäksi. Shear-sakeutuminen on haaste monissa teollisissa prosesseissa, joissa pyritään saamaan nesteet virtaamaan sujuvasti.

Kymmeniä vuosia kestänyt keskustelu

Jopa yksinkertaisimmassa nesteeseen suspendoitujen hiukkasten systeemissä sakeutumismekanismista kiistellään kuitenkin edelleen. Yhden ehdotetun teorian mukaan kiinteiden hiukkasten välinen kitka lukitsee ne kokoonpanoihin, jotka vastustavat virtausta; toisen teorian mukaan hiukkasten työntyessä lähemmäs niiden välissä olevan nesteen valumisen aiheuttama vastus hidastaa niiden liikettä ja lukitsee hiukkaset klustereiksi.

Keskustelu on jatkunut vuosikymmeniä, koska ei ole mitään keinoa havainnoida suoraan, mitä nanotasolla tapahtuu.

Niinpä Cornellin yliopiston fysiikan apulaisprofessori Itai Cohen keksi kokeen, jossa käyttäytyminen jokapäiväisessä maailmassa paljastaa, mitä syvällä sisällä tapahtuu. Tulokset on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä.

Mitä oikeasti tapahtuu

Jos hiukkasten välistä ulos työntyvä neste on se, mikä hidastaa liikettä, tutkijat päättelivät, niin kun leikkausvoima käännetään, se synnyttää saman vastuksen, koska nesteen on virrattava takaisin sisään.

Jos kyse on vain kiinteistä hiukkasista, jotka törmäävät toisiinsa, niin heti kun leikkausvoima päästetään irti, hiukkasien välinen kontaktijännitys katoaa. Välitön reaktio leikkausvoiman äkilliseen muutokseen antaa vastauksen kysymykseen.

Tämän vaikutuksen havainnoimiseksi he käyttivät ”leikkauskääntöä”, jossa käytetään laitetta, joka työntää koettimen testinesteeseen ja leikkaa sitä juuri niin kauan, että se paksuuntuu, ja kääntyy sitten nopeasti vetämään vastakkaiseen suuntaan.

Akselissa olevat hienovaraiset anturit mittaavat nesteen hetkellistä vastusta työntämiselle tai vetämiselle. He käyttivät ”laboratorioluokan” suspensiota pallomaisista mikrohiukkasista eristääkseen hiukkasten vuorovaikutuksen vaikutukset.

Koe osoitti, että vetovastus oli mitätön. Tämä tarkoittaa, että vaikka neste virtaa ulos, kun hiukkaset yhdistyvät, ja takaisin, kun ne eroavat toisistaan, syntyvä voima ei selitä todellista sakeutumisvastusta. Kosketusvoima dominoi, joten hiukkasten välinen kitka on ensisijainen mekanismi leikkauspaksuuntumiselle.

”Kun tiedämme taustalla olevan mekanismin, voimme suunnitella teollisia prosesseja, joilla näitä nesteitä voidaan käsitellä paremmin, ja voimme ’virittää’ nesteen ominaisuuksia säätämällä mikrohiukkasten kitkaa”, sanoo jatko-opiskelija Neil Lin, artikkelin ensimmäinen kirjoittaja. Toinen tapa virittää vaikutus on nanohiukkasten pitoisuuden vaihtelu, joten ”nyt meillä on kaksi säädintä, joita voimme kääntää.”

Tutkijat Edinburghin yliopistosta ovat tutkimuksen kanssakirjoittajia. Kansallinen tiedesäätiö (National Science Foundation) tuki työtä.