La strana scienza dietro l’oobleck (acqua + amido di mais)

Oobleck, chiamato così per una sostanza appiccicosa caduta dal cielo in una storia del Dr. Seuss e onnipresente nelle fiere di scienze delle scuole elementari, è solo una soluzione densa di amido di mais in acqua. Ma non è così semplice come sembra.

È un fluido “non newtoniano” che non risponde alle forze esterne come ci si aspetterebbe. Più lo agiti, più diventa denso e più resiste alla tua agitazione. Colpiscilo abbastanza forte, ad esempio con un martello, e si indurisce istantaneamente abbastanza da frantumarsi.

YouTube è pieno di video di persone che corrono attraverso piscine piene di questo fluido. La pressione di un piede che colpisce la superficie fa sì che il liquido si addensi abbastanza da sostenere il corridore.

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Ora i fisici sono in grado di spiegare come funziona.

Il fenomeno che permette all’oobleck di fare ciò che fa è chiamato “shear thickening”, un processo che si verifica nei materiali costituiti da particelle solide microscopiche sospese in un fluido. Gli esempi includono il fango di perforazione usato nei pozzi di petrolio e il fluido usato per accoppiare le trasmissioni delle automobili alle ruote.

Un tipo di armatura utilizza una soluzione di particelle polimeriche imbevute di fibra porosa; ordinariamente flessibile, ma l’impatto di un proiettile la rende solida. L’addensamento per taglio è una sfida in molti processi industriali in cui l’obiettivo è quello di far scorrere fluidi senza problemi.

Decenni di dibattito

Anche nel più semplice sistema di particelle sospese in un liquido, tuttavia, c’è ancora un dibattito sul meccanismo di addensamento. Una teoria proposta è che l’attrito tra le particelle solide le blocca in configurazioni che resistono al flusso; l’altra è che quando le particelle vengono spinte più vicine, la resistenza dovuta al drenaggio del liquido tra di esse rallenta il loro movimento e blocca le particelle in ammassi.

Il dibattito è andato avanti per decenni perché non c’è modo di osservare direttamente ciò che accade su scala nanometrica.

Così Itai Cohen, professore associato di fisica alla Cornell University, ha ideato un esperimento in cui il comportamento nel mondo quotidiano rivela ciò che accade nel profondo. I risultati sono pubblicati su Physical Review Letters.

Cosa sta realmente accadendo

Se il fluido che viene spinto fuori da tra le particelle è ciò che sta rallentando il movimento, i ricercatori hanno ragionato, allora quando la forza di taglio è invertita, genererà la stessa resistenza poiché il fluido deve rifluire dentro.

Se si tratta solo di particelle solide che si scontrano, allora non appena la forza di taglio viene rilasciata la tensione di contatto tra loro scomparirà. La risposta immediata ad un cambiamento improvviso della forza di taglio risponderà alla domanda.

Per osservare questo effetto hanno impiegato “l’inversione di taglio”, usando un apparecchio che inserisce una sonda in un fluido di prova e lo taglia abbastanza a lungo da causare un ispessimento, e poi si inverte rapidamente per tirare nella direzione opposta.

Sensori delicati sull’albero misurano la resistenza istantanea del fluido ad essere spinto o tirato. Hanno usato una sospensione “da laboratorio” di microparticelle sferiche per isolare gli effetti delle interazioni delle particelle.

L’esperimento ha mostrato che c’era una resistenza trascurabile tirando indietro. Questo significa che mentre il liquido scorre fuori quando le particelle si uniscono e indietro quando si separano, la forza risultante non tiene conto dell’effettiva resistenza all’addensamento. La forza di contatto domina, quindi l’attrito tra le particelle è il meccanismo primario per l’ispessimento da taglio.

“Conoscendo il meccanismo sottostante, possiamo progettare processi industriali per gestire meglio questi fluidi e possiamo ‘sintonizzare’ le proprietà di un fluido regolando l’attrito delle microparticelle”, dice lo studente laureato Neil Lin, primo autore del documento. Un altro modo per sintonizzare l’effetto è variare la concentrazione delle nanoparticelle, quindi “Ora abbiamo due manopole da girare”. La National Science Foundation ha sostenuto il lavoro.