A furcsa tudomány az oobleck (víz + kukoricakeményítő) mögött

A habarcs, amely egy Dr. Seuss-mesében az égből hullott ragacsos anyagról kapta a nevét, és amely mindenütt jelen van az általános iskolai tudományos versenyeken, nem más, mint kukoricakeményítő sűrű oldata vízben. De nem olyan egyszerű, mint amilyennek hangzik.

Ez egy “nemnewtoni” folyadék, amely nem úgy reagál a külső erőkre, ahogyan azt elvárnánk. Minél erősebben kevered, annál sűrűbb lesz, és annál jobban ellenáll a keverésnek. Ha elég erősen megütöd, mondjuk egy kalapáccsal, azonnal elég kemény lesz ahhoz, hogy összetörjön.

A YouTube tele van olyan videókkal, amelyeken emberek futnak át a ragaccsal teli medencéken. A felszínre érkező lábnyomástól a folyadék eléggé besűrűsödik alatta ahhoz, hogy megtartsa a futót.

via GIPHY

Most a fizikusok meg tudják magyarázni, hogyan működik ez.

A jelenséget, amely lehetővé teszi, hogy az oobleck megtegye, amit tesz, “nyírási sűrítésnek” nevezik, egy olyan folyamatnak, amely a folyadékban lebegő mikroszkopikus szilárd részecskékből álló anyagokban játszódik le. Ilyen például az olajkutakban használt fúróiszap és az autók sebességváltóinak a kerekekhez való kapcsolásához használt folyadék.

A testpáncél egyik típusa porózus szálakba áztatott polimerrészecskék oldatát használja; normál esetben rugalmas, de a golyó becsapódása szilárddá teszi. A nyírási sűrítés számos ipari folyamatban jelent kihívást, ahol a cél az, hogy a folyadékok simán áramoljanak.

A vita évtizede

Még a legegyszerűbb, folyadékban lebegő részecskékből álló rendszerben is vita van azonban a sűrítés mechanizmusáról. Az egyik javasolt elmélet szerint a szilárd részecskék közötti súrlódás az áramlásnak ellenálló konfigurációkba zárja őket; a másik szerint, ahogy a részecskék közelebb kerülnek egymáshoz, a közöttük lévő folyadék lefolyásából származó ellenállás lelassítja a mozgásukat, és a részecskéket csomókba zárja.

A vita évtizedek óta tart, mert nincs mód arra, hogy közvetlenül megfigyeljük, mi történik a nanoszinten.

Így Itai Cohen, a Cornell Egyetem fizika docense olyan kísérletet talált ki, amelyben a hétköznapi világ viselkedése elárulja, mi történik a mélyben. Az eredményeket a Physical Review Letters című folyóiratban tették közzé.

Mi történik valójában

Ha a részecskék között kiszoruló folyadék az, ami lassítja a mozgást, gondolták a kutatók, akkor amikor a nyíróerőt megfordítják, ugyanolyan ellenállást fog létrehozni, mivel a folyadéknak vissza kell áramlania.

Ha csak szilárd részecskék ütköznek egymásnak, akkor amint a nyíróerő megszűnik, a köztük lévő kontaktfeszültség megszűnik. A nyíróerő hirtelen megváltozására adott azonnali válasz fogja megválaszolni a kérdést.

A hatás megfigyelésére “nyírófordulatot” alkalmaztak, egy olyan készüléket használva, amely egy szondát helyez a tesztfolyadékba, és éppen elég ideig nyírja azt, hogy megvastagodjon, majd gyorsan visszafordul, hogy az ellenkező irányba húzza.

A tengelyen lévő finom érzékelők mérik a folyadék pillanatnyi ellenállását a tolással vagy húzással szemben. Gömb alakú mikrorészecskék “laboratóriumi minőségű” szuszpenzióját használták, hogy elszigeteljék a részecskék kölcsönhatásának hatásait.

A kísérlet azt mutatta, hogy a visszahúzó ellenállás elhanyagolható. Ez azt jelenti, hogy bár a folyadék valóban kifelé áramlik, amikor a részecskék összeérnek, és vissza, amikor szétválnak, a keletkező erő nem felel meg a tényleges sűrűsödési ellenállásnak. Az érintkezési erő dominál, tehát a részecskék közötti súrlódás a nyírási sűrítés elsődleges mechanizmusa.

“A mögöttes mechanizmus ismeretében olyan ipari folyamatokat tervezhetünk, amelyek jobban kezelik ezeket a folyadékokat, és a mikrorészecskék súrlódásának beállításával “hangolhatjuk” a folyadék tulajdonságait” – mondja Neil Lin végzős hallgató, a tanulmány első szerzője. A hatás hangolásának másik módja a nanorészecskék koncentrációjának változtatása, így “most már két gombot tudunk forgatni.”

A tanulmány társszerzői az Edinburgh-i Egyetem kutatói. A Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatta a munkát.