Het is een fenomeen dat veel kleuters goed kennen:als je maizena en water mengt, er gebeuren rare dingen. Wrijf het zachtjes in een kom, en het mengsel klotst rond als een vloeistof. Knijp het, en het begint als pasta te voelen. Rol het tussen je handen, en het stolt tot een rubberachtige bal. Probeer die bal in de palm van je hand te houden, en het zal wegdruppelen als een vloeistof.

De meesten van ons die met dit spul hebben gespeeld, kennen het als "oobleck, " genoemd naar een kleverige groene klodder in "Bartholomew and the Oobleck" van Dr. Seuss. Wetenschappers, anderzijds, verwijzen naar maïszetmeel en water als een "niet-Newtoniaanse vloeistof" - een materiaal dat dikker of dunner lijkt, afhankelijk van hoe het fysiek wordt gemanipuleerd.

Nu hebben MIT-ingenieurs een wiskundig model ontwikkeld dat het vreemde gedrag van oobleck voorspelt. Met behulp van hun model, de onderzoekers simuleerden nauwkeurig hoe oobleck verandert van een vloeistof naar een vaste stof en weer terug, onder verschillende omstandigheden.

Afgezien van het voorspellen wat het spul zou kunnen doen in de handen van peuters, het nieuwe model kan nuttig zijn om te voorspellen hoe oobleck en andere oplossingen van ultrafijne deeltjes zich kunnen gedragen voor militaire en industriële toepassingen. Kan een oobleck-achtige substantie kuilen in de snelweg vullen en tijdelijk verharden als een auto erover rijdt? Of misschien kan de slurry de voering van kogelvrije vesten opvullen, verandert kort in een extra schild tegen plotselinge schokken. Met het nieuwe oobleck-model van het team, ontwerpers en ingenieurs kunnen dergelijke mogelijkheden gaan verkennen.

"Het is een eenvoudig materiaal om te maken - je gaat naar de supermarkt, maïszetmeel kopen, zet dan je kraan aan, " zegt Ken Kamrin, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. "Maar het blijkt dat de regels die bepalen hoe deze materiaalstromen bepalen heel genuanceerd zijn."

Kamrin, samen met afgestudeerde student Aaron Baumgarten, hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Een klonterig model

Het primaire werk van Kamrin richt zich op het karakteriseren van de stroming van korrelig materiaal zoals zand. Door de jaren heen, hij heeft een wiskundig model ontwikkeld dat nauwkeurig de stroom van droge granen voorspelt onder een aantal verschillende omstandigheden en omgevingen. Toen Baumgarten zich bij de groep voegde, de onderzoekers begonnen te werken aan een model om te beschrijven hoe verzadigd nat zand beweegt. Het was rond deze tijd dat Kamrin en Baumgarten een wetenschappelijke lezing over oobleck zagen.

"We hadden dit gesprek gezien, en we hadden een lang debat over wat oobleck is, en wat is het verschil met nat zand, ' zegt Kamrin. 'Na wat heftig heen en weer met Aaron, hij besloot om te kijken of we dit natte zandmodel konden veranderen in een model voor oobleck."

Korrelvormig materiaal in oobleck is veel fijner dan zand:een enkel deeltje maizena is ongeveer 1 tot 10 micron breed en ongeveer een honderdste zo groot als een zandkorrel. Kamrin zegt dat deeltjes op zo'n kleine schaal effecten ervaren die grotere deeltjes zoals zand niet hebben. Bijvoorbeeld, omdat maïszetmeeldeeltjes zo klein zijn, ze kunnen worden beïnvloed door temperatuur, en door elektrische ladingen die zich ophopen tussen deeltjes, waardoor ze elkaar een beetje afstoten.

"Zolang je langzaam knijpt, de korrels zullen afstoten, ertussen een laag vloeistof houden, en gewoon langs elkaar glijden, als een vloeistof, "zegt Kamrin. "Maar als je iets te snel doet, je zult die kleine afkeer overwinnen, de deeltjes zullen elkaar raken, er zal wrijving zijn, en het zal fungeren als een vaste stof."

Deze afstoting op kleine schaal brengt een belangrijk verschil tussen grote en ultrafijne graanmengsels op laboratoriumschaal naar voren:de viscositeit, of consistentie van nat zand bij een gegeven pakkingsdichtheid blijft hetzelfde, of je het zachtjes roert of er met een vuist in slaat. In tegenstelling tot, oobleck heeft een lage, vloeistofachtige viscositeit bij langzaam roeren. Maar als het oppervlak wordt geponst, een snelgroeiende zone van de slurry naast het contactpunt wordt stroperiger, waardoor het oppervlak van oobleck terugkaatst en de impact weerstaat, als een stevige trampoline.

Ze ontdekten dat stress de belangrijkste factor was om te bepalen of een materiaal meer of minder viskeus was. Bijvoorbeeld, hoe sneller en krachtiger oobleck wordt verstoord, hoe "klonteriger" het is - dat wil zeggen, hoe meer de onderliggende deeltjes wrijving veroorzaken, in tegenstelling tot gesmeerd, contact. Als het langzaam en voorzichtig wordt vervormd, oobleck is minder stroperig, met deeltjes die gelijkmatiger zijn verdeeld en die elkaar afstoten, als een vloeistof.

Het team probeerde het effect van afstoting van fijne deeltjes te modelleren, met het idee dat er misschien een nieuwe "klonterigheidsvariabele" zou kunnen worden toegevoegd aan hun model van nat zand om een ​​nauwkeurig model van oobleck te maken. In hun model ze bevatten wiskundige termen om te beschrijven hoe deze variabele zou groeien en krimpen onder een bepaalde spanning of kracht.

"Nu hebben we een robuuste manier om te modelleren hoe klonterig elk stuk materiaal in het lichaam zal zijn als je het op een willekeurige manier vervormt, ' zegt Baumgarten.

Wielen draaien

De onderzoekers namen deze nieuwe variabele op in hun meer algemene model voor nat zand, en keek of het het gedrag van oobleck zou voorspellen. Ze gebruikten hun model om eerdere experimenten van anderen te simuleren, inclusief een eenvoudige opstelling van oobleck die tussen twee platen wordt geperst en geschoren, en een reeks experimenten waarbij een klein projectiel met verschillende snelheden in een tank met oobleck wordt geschoten.

In alle scenario's, de simulaties kwamen overeen met de experimentele gegevens en reproduceerden de beweging van de oobleck, het repliceren van de regio's waar het veranderde van vloeibaar naar vast, en weer terug.

Om te zien hoe hun model het gedrag van oobleck in complexere omstandigheden zou kunnen voorspellen, het team simuleerde een wiel met tanden dat met verschillende snelheden over een diep drijfmestbed reed. Ze ontdekten dat hoe sneller het wiel draaide, hoe meer het mengsel vormde wat Baumgarten een "stollingsfront" in de oobleck noemt, dat het wiel even ondersteunt, zodat het eroverheen kan rollen zonder te zinken.

Kamrin en Baumgarten zeggen dat het nieuwe model kan worden gebruikt om te onderzoeken hoe verschillende oplossingen met ultrafijne deeltjes, zoals oobleck, zich gedragen wanneer ze worden gebruikt als, bijvoorbeeld, vullingen voor kuilen, of kogelvrije vesten. Ze zeggen dat het model ook kan helpen bij het identificeren van manieren om slurries om te leiden via systemen zoals industriële fabrieken.

"Met industriële afvalproducten, je zou suspensies van fijne deeltjes kunnen krijgen die niet vloeien zoals je verwacht, en je moet ze van dit vat naar dat vat verplaatsen, en er kunnen best practices zijn die mensen nog niet kennen, omdat er geen model voor is, ' zegt Kamrin. 'Misschien nu wel.'