Den konstiga vetenskapen bakom oobleck (vatten + majsstärkelse)

Oobleck, uppkallat efter en kladdig substans som föll ner från himlen i en saga av Dr. Seuss och som är allestädes närvarande på grundskolans vetenskapsmässor, är bara en tjock lösning av majsstärkelse i vatten. Men det är inte så enkelt som det låter.

Det är en ”icke-newtonsk” vätska som inte reagerar på yttre krafter på det sätt som man kan förvänta sig. Ju hårdare du rör om i den, desto tjockare blir den och desto mer motstår den din omrörning. Om du slår till den tillräckligt hårt, till exempel med en hammare, hårdnar den omedelbart så mycket att den splittras.

YouTube är fylld av videor med människor som springer över pooler fyllda med kladd. Trycket från en fot som slår mot ytan gör att vätskan tjocknar tillräckligt för att stödja löparen.

via GIPHY

Nu kan fysiker förklara hur det fungerar.

Fenomenet som gör att oobleck kan göra vad det gör kallas för ”skjuvförtjockning”, en process som sker i material som består av mikroskopiska fasta partiklar som är suspenderade i en vätska. Exempel på detta är borrslam som används i oljekällor och vätska som används för att koppla biltransmissioner till hjulen.

En typ av kroppsskydd använder en lösning av polymerpartiklar som blötläggs i porösa fibrer, som normalt är flexibla, men som vid en kulas nedslag blir fasta. Skjuvförtjockning är en utmaning i många industriella processer där målet är att få vätskor att flyta smidigt.

Dekennier av debatt

Även i det enklaste systemet med partiklar som är suspenderade i en vätska finns det dock fortfarande en debatt om mekanismen för förtjockning. En föreslagen teori är att friktionen mellan de fasta partiklarna låser in dem i konfigurationer som står emot flödet; den andra teorin är att när partiklarna skjuts närmare varandra, bromsar motståndet från dräneringen av vätskan mellan dem deras rörelse och låser in partiklarna i kluster.

Debatten har pågått i årtionden eftersom det inte finns något sätt att direkt observera vad som händer på nanoskala.

Så Itai Cohen, docent i fysik vid Cornell University, kom på ett experiment där beteende i vardagsvärlden avslöjar vad som händer djupt inne i kroppen. Resultaten publiceras i Physical Review Letters.

Vad händer egentligen

Om det är vätska som trycks ut mellan partiklarna som bromsar rörelsen, resonerade forskarna, så när skjuvkraften vänds om kommer det att generera samma motstånd eftersom vätskan måste strömma in igen.

Om det bara är solida partiklar som stöter på varandra, så så försvinner kontaktspänningen mellan dem så fort skjuvkraften släpps. Den omedelbara reaktionen på en plötslig förändring av skjuvkraften kommer att besvara frågan.

För att observera denna effekt använde de sig av ”skjuvningsomvändning”, med hjälp av en apparat som för in en sond i en testvätska och skär den precis tillräckligt länge för att orsaka förtjockning, och som sedan snabbt vänder om för att dra i motsatt riktning.

Försiktiga sensorer på axeln mäter vätskeflödets ögonblickliga motstånd mot att bli tryckt eller dragen. De använde en suspension av sfäriska mikropartiklar av ”laboratoriekvalitet” för att isolera effekterna av partikelinteraktioner.

Experimentet visade att det fanns ett försumbart motstånd när man drog tillbaka. Detta innebär att även om vätskan flödar ut när partiklarna möts och tillbaka när de separeras, så står den resulterande kraften inte för det faktiska förtjockningsmotståndet. Kontaktkraften dominerar, så friktionen mellan partiklarna är den primära mekanismen för skjuvförtjockning.

”När vi känner till den underliggande mekanismen kan vi utforma industriella processer för att hantera dessa vätskor bättre och kan ”trimma” egenskaperna hos en vätska genom att justera mikropartiklarnas friktion”, säger doktorand Neil Lin, förste författare till artikeln. Ett annat sätt att ställa in effekten är att variera koncentrationen av nanopartiklarna, så ”nu har vi två rattar att vrida på.”

Forskare från University of Edinburgh är medförfattare till studien. National Science Foundation stödde arbetet.