The weird science behind oobleck (water + cornstarch)

Oobleck, nazwany tak dla lepkiej substancji, która spadła z nieba w opowiadaniu Dr. Seussa i wszechobecny na targach nauki w szkole podstawowej, jest po prostu gęstym roztworem skrobi kukurydzianej w wodzie. Ale nie jest to takie proste, jak się wydaje.

Jest to płyn „nienewtonowski”, który nie reaguje na siły zewnętrzne w sposób, jakiego można by się spodziewać. Im mocniej ją mieszasz, tym gęstsza się staje i tym bardziej opiera się mieszaniu. Uderz w nią wystarczająco mocno, powiedzmy młotkiem, a natychmiast twardnieje na tyle, by się roztrzaskać.

YouTube jest wypełniony filmami ludzi biegających po basenach wypełnionych goo. Ciśnienie stopy uderzającej o powierzchnię powoduje, że ciecz gęstnieje pod nią na tyle, by utrzymać biegacza.

via GIPHY

Teraz fizycy są w stanie wyjaśnić, jak to działa.

Zjawisko, które pozwala oobleck robić to, co robi, nazywa się „zagęszczaniem ścinającym”, procesem, który występuje w materiałach składających się z mikroskopijnych cząstek stałych zawieszonych w cieczy. Przykłady obejmują błoto wiertnicze stosowane w szybach naftowych i płyn używany do sprzęgania przekładni samochodowych z kołami.

Jeden rodzaj pancerza wykorzystuje roztwór cząstek polimerowych nasączonych porowatym włóknem; zwykle elastyczny, ale uderzenie pocisku zmienia go w ciało stałe. Zagęszczanie ścinaniem jest wyzwaniem w wielu procesach przemysłowych, w których celem jest uzyskanie płynów o płynnym przepływie.

Dekady debat

Nawet w najprostszym systemie cząstek zawieszonych w cieczy, jednak nadal toczy się debata na temat mechanizmu zagęszczania. Jedna z proponowanych teorii mówi, że tarcie między cząstkami stałymi blokuje je w konfiguracje, które opierają się przepływowi; inna mówi, że jak cząstki są popychane bliżej, opór z odprowadzania cieczy między nimi spowalnia ich ruch i blokuje cząstki w skupiska.

Dyskusja trwa od dziesięcioleci, ponieważ nie ma sposobu na bezpośrednią obserwację tego, co dzieje się w nanoskali.

Więc Itai Cohen, profesor nadzwyczajny fizyki na Uniwersytecie Cornell, wymyślił eksperyment, w którym zachowanie w codziennym świecie ujawnia to, co dzieje się głęboko w środku. Wyniki opublikowano w Physical Review Letters.

Co się naprawdę dzieje

Jeśli płyn wypychany spomiędzy cząsteczek jest tym, co spowalnia ruch, rozumowali badacze, to gdy siła ścinająca zostanie odwrócona, wygeneruje taki sam opór, ponieważ płyn musi wpłynąć z powrotem do środka.

Jeśli to tylko stałe cząsteczki wpadające na siebie, to gdy tylko siła ścinająca zostanie zwolniona, naprężenia kontaktowe między nimi znikną. Natychmiastowa reakcja na nagłą zmianę w sile ścinającej odpowie na pytanie.

Aby zaobserwować ten efekt zastosowali „odwrócenie ścinania”, używając urządzenia, które wprowadza sondę do płynu testowego i ścina go wystarczająco długo, aby spowodować zgęstnienie, a następnie szybko odwraca, aby ciągnąć w przeciwnym kierunku.

Delikatne czujniki na wale mierzą chwilowy opór płynu na pchanie lub ciągnięcie. Użyli oni „laboratoryjnej klasy” zawiesiny sferycznych mikrocząsteczek, aby odizolować efekty interakcji cząsteczek.

Eksperyment wykazał, że opór przy odciąganiu był znikomy. Oznacza to, że podczas gdy ciecz wypływa, gdy cząstki się łączą i wraca, gdy się rozdzielają, siła wynikowa nie uwzględnia rzeczywistego oporu zagęszczania. Dominuje siła kontaktowa, więc tarcie między cząsteczkami jest głównym mechanizmem zagęszczania przy ścinaniu.

„Znając podstawowy mechanizm, możemy zaprojektować procesy przemysłowe, aby lepiej radzić sobie z tymi płynami i możemy 'dostroić’ właściwości płynu poprzez regulację tarcia mikrocząsteczek”, mówi student Neil Lin, pierwszy autor pracy. Innym sposobem na dostrojenie efektu jest zmiana stężenia nanocząstek, więc „teraz mamy dwa pokrętła do obracania.”

Badacze z Uniwersytetu w Edynburgu są współautorami badania. National Science Foundation wsparła pracę.