De bizarre wetenschap achter oobleck (water + maizena)

Oobleck, genoemd naar een kleverige substantie die uit de lucht viel in een Dr. Seuss verhaal en alomtegenwoordig op basisschool wetenschapsbeurzen, is gewoon een dikke oplossing van maïszetmeel in water. Maar het is niet zo eenvoudig als het klinkt.

Het is een “niet-Newtoniaanse” vloeistof die niet reageert op krachten van buitenaf zoals je zou verwachten. Hoe harder je erin roert, hoe dikker het wordt en hoe meer het zich verzet tegen je roeren. Sla er hard genoeg op, bijvoorbeeld met een hamer, en het wordt meteen hard genoeg om te versplinteren.

YouTube staat vol met video’s van mensen die over plassen vol met de smurrie rennen. De druk van een voet die het oppervlak raakt, zorgt ervoor dat de vloeistof eronder genoeg verdikt om de loper te ondersteunen.

via GIPHY

Nu zijn natuurkundigen in staat om te verklaren hoe het werkt.

Het fenomeen dat oobleck laat doen wat het doet, wordt “afschuifverdikking” genoemd, een proces dat optreedt in materialen die bestaan uit microscopische vaste deeltjes die in een vloeistof zweven. Voorbeelden zijn boorspoeling gebruikt in oliebronnen en vloeistof gebruikt om automobiele transmissies aan de wielen te koppelen.

Een type van lichaamspantser gebruikt een oplossing van polymeerdeeltjes die in poreuze vezel worden gedrenkt; normaal flexibel, maar de schok van een kogel maakt het vast. Shear verdikking is een uitdaging in vele industriële processen waar het doel is om vloeistoffen vlot te laten stromen.

Decennia van debat

Zelfs in het eenvoudigste systeem van deeltjes die in een vloeistof worden gesuspendeerd, nochtans, is er nog een debat over het mechanisme voor verdikking. Één voorgestelde theorie is dat de wrijving tussen de vaste deeltjes hen in configuraties sluit die de stroom weerstaan; de andere is dat aangezien de deeltjes dichter worden geduwd, de weerstand van het aftappen van de vloeistof tussen hen hun beweging vertraagt en de deeltjes in clusters sluit.

De discussie duurt al tientallen jaren omdat er geen manier is om direct waar te nemen wat er op nanoschaal gebeurt.

Dus kwam Itai Cohen, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Cornell University, met een experiment waarin gedrag in de alledaagse wereld onthult wat er diep van binnen gebeurt. De bevindingen zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

Wat er werkelijk gebeurt

Als de vloeistof die tussen de deeltjes vandaan wordt geduwd de beweging vertraagt, zo redeneerden de onderzoekers, dan zal bij het omkeren van de schuifkracht dezelfde weerstand ontstaan omdat de vloeistof er weer in moet stromen.

Als het gewoon vaste deeltjes zijn die tegen elkaar botsen, dan zal zodra de schuifkracht wordt losgelaten de contactspanning tussen hen verdwijnen. De onmiddellijke reactie op een plotselinge verandering in schuifkracht zal de vraag beantwoorden.

Om dat effect waar te nemen gebruikten zij “shearing reversal,” met behulp van een apparaat dat een sonde in een testvloeistof brengt en deze net lang genoeg schuift om verdikking te veroorzaken, en dan snel omkeert om in de tegenovergestelde richting te trekken.

Delicate sensoren op de schacht meten de onmiddellijke weerstand van de vloeistof om geduwd of getrokken te worden. Zij gebruikten een “laboratoriumrang” opschorting van sferische microdeeltjes om de gevolgen van deeltjesinteracties te isoleren.

Het experiment toonde aan dat er verwaarloosbare weerstand was die terugtrok. Dit betekent dat terwijl de vloeistof uitvloeit wanneer de deeltjes samenkomen en terug als zij scheiden, de resulterende kracht geen rekening houdt met de daadwerkelijke verdikkingsweerstand. De contactkracht overheerst, dus wrijving tussen de deeltjes is het primaire mechanisme voor afschuifverdikking.

“Als we het onderliggende mechanisme kennen, kunnen we industriële processen ontwerpen om deze vloeistoffen beter te hanteren en kunnen we de eigenschappen van een vloeistof ’tunen’ door de wrijving van de microdeeltjes aan te passen”, zegt promovendus Neil Lin, eerste auteur van het artikel. Een andere manier om het effect af te stemmen is door de concentratie van de nanodeeltjes te variëren, dus “nu hebben we twee knoppen om aan te draaien.”

Onderzoekers van de Universiteit van Edinburgh zijn coauteurs van de studie. De National Science Foundation steunde het werk.