Știința ciudată din spatele oobleck-ului (apă + amidon de porumb)

Oobleck, numit după o substanță lipicioasă care a căzut din cer într-o poveste a lui Dr. Seuss și omniprezent la târgurile de știință din școlile primare, este doar o soluție groasă de amidon de porumb în apă. Dar nu este atât de simplu pe cât pare.

Este un fluid „non-newtonian” care nu răspunde la forțele exterioare așa cum v-ați aștepta. Cu cât îl amesteci mai tare, cu atât devine mai gros și cu atât mai mult se împotrivește agitării tale. Loviți-l suficient de tare, să zicem cu un ciocan, și instantaneu se întărește suficient de tare încât să se spargă.

YouTube este plin de videoclipuri cu oameni care aleargă prin bazine pline cu această substanță lipicioasă. Presiunea unui picior care lovește suprafața face ca lichidul să se îngroașe sub el suficient de mult pentru a susține alergătorul.

via GIPHY

Acum fizicienii sunt capabili să explice cum funcționează.

Fenomenul care permite oobleck-ului să facă ceea ce face se numește „îngroșare prin forfecare”, un proces care are loc în materialele alcătuite din particule solide microscopice suspendate într-un fluid. Printre exemple se numără noroiul de foraj folosit în puțurile de petrol și fluidul folosit pentru a cupla transmisiile automobilelor la roți.

Un tip de veste antiglonț folosește o soluție de particule de polimer îmbibate în fibre poroase; în mod normal, acestea sunt flexibile, dar impactul unui glonț le transformă în solide. Îngroșarea prin forfecare este o provocare în multe procese industriale în care scopul este de a face ca fluidele să curgă fără probleme.

Decenii de dezbateri

Chiar și în cel mai simplu sistem de particule suspendate într-un lichid, totuși, există încă o dezbatere cu privire la mecanismul de îngroșare. O teorie propusă este că frecarea dintre particulele solide le blochează în configurații care rezistă la curgere; cealaltă este că, pe măsură ce particulele sunt împinse mai aproape, rezistența datorată scurgerii lichidului dintre ele încetinește mișcarea lor și blochează particulele în grupuri.

Dezbaterea a continuat timp de zeci de ani deoarece nu există nicio modalitate de a observa direct ceea ce se întâmplă la scară nanometrică.

Așa că Itai Cohen, profesor asociat de fizică la Universitatea Cornell, a venit cu un experiment în care comportamentul din lumea de zi cu zi dezvăluie ceea ce se întâmplă în profunzime. Descoperirile sunt publicate în Physical Review Letters.

Ce se întâmplă cu adevărat

Dacă fluidul care este împins afară dintre particule este ceea ce încetinește mișcarea, au gândit cercetătorii, atunci când forța de forfecare este inversată, aceasta va genera aceeași rezistență, deoarece fluidul trebuie să curgă înapoi.

Dacă este vorba doar de particule solide care se ciocnesc una de alta, atunci imediat ce forța de forfecare este eliberată, tensiunea de contact dintre ele va dispărea. Răspunsul imediat la o schimbare bruscă a forței de forfecare va răspunde la întrebare.

Pentru a observa acest efect, ei au folosit „inversarea forfecării”, folosind un aparat care introduce o sondă într-un fluid de testare și îl forțează suficient de mult timp pentru a provoca îngroșarea, apoi se inversează rapid pentru a trage în direcția opusă.

Senzori delicați de pe arbore măsoară rezistența instantanee a fluidului de a fi împins sau tras. Ei au folosit o suspensie „de laborator” de microparticule sferice pentru a izola efectele interacțiunilor dintre particule.

Experimentul a arătat că există o rezistență neglijabilă la tragerea înapoi. Aceasta înseamnă că, în timp ce lichidul se scurge în afară atunci când particulele se unesc și înapoi atunci când se separă, forța rezultată nu ține cont de rezistența reală la îngroșare. Forța de contact domină, astfel încât frecarea dintre particule este mecanismul principal pentru îngroșarea prin forfecare.

„Cunoscând mecanismul de bază, putem proiecta procese industriale pentru a manipula mai bine aceste fluide și putem „regla” proprietățile unui fluid prin ajustarea frecării microparticulelor”, spune studentul absolvent Neil Lin, primul autor al lucrării. O altă modalitate de a regla efectul este prin variația concentrației nanoparticulelor, astfel încât „Acum avem două butoane de rotit.”

Cercetătorii de la Universitatea din Edinburgh sunt coautori ai studiului. Lucrarea a fost sprijinită de National Science Foundation.