Opmerkelijke vloeibare materialen, colloïden genaamd, verstijven onder invloed. Onderzoekers gefinancierd door de Zwitserse National Science Foundation hebben het effect bestudeerd van krachtige effecten, zoals die van vuurwapens of micrometeorieten.

Op het eerste gezicht, colloïden lijken op homogene vloeistoffen zoals melk of bloedplasma. Maar in feite bestaan ​​ze uit deeltjes in suspensie. Sommige colloïden hebben opmerkelijke eigenschappen:ze kunnen verstijven na een botsing en oppervlakteschokken absorberen. Deze eigenschap is interessant voor vele toepassingen, van kogelwerende vesten tot beschermende schilden voor satellieten. Onderzoekers gefinancierd door de Zwitserse National Science Foundation (SNSF) ontdekten dat de manier waarop deze colloïden werken drastisch kan veranderen als reactie op zeer sterke effecten. De wetenschappers hebben ook een model ontwikkeld dat deze eigenschappen beter te begrijpen maakt. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift PNAS .

SNSF-professor Lucio Isa en zijn team aan de ETH Zürich creëren zogenaamde tweedimensionale colloïdale kristallen. De kristallen bestaan ​​uit silicakralen met een diameter van enkele duizenden millimeters in een mengsel van water en glycerine. In samenwerking met Chiara Daraio van Caltech en Stéphane Job aan het Institut supérieur de mécanique de Paris, de onderzoekers onderzochten hoe dit soort materiaal schokken opvangt.

Het team merkte op dat wanneer de colloïdale deeltjes micrometer groot zijn, de kracht en snelheid van de impact veranderen hoe de schokken worden geabsorbeerd. Onder een bepaalde drempel, de viscositeit van de vloeistof is de bepalende factor, en klassieke modellen beschrijven het fenomeen heel goed. "Je moet je deze kleine glaskralen in hun vloeistof voorstellen, " zegt Isa. "Tijdens een botsing, de kralen bewegen en verspreiden de vloeistof om hen heen, meer of minder snel, afhankelijk van de viscositeit. De beweging van de vloeistof zorgt ervoor dat het geheel verstijft."

Wanneer de schok bijzonder intens is, de vloeistof stroomt niet meer tussen de kralen, en ze vervormen. "In deze situatie, de fysieke eigenschappen van de kralen hebben een sterke invloed op de schokabsorptie, en de gebruikelijke vergelijkingen zijn niet langer van toepassing, " zegt Isa.

Inslag van een kogel

Om de deeltjes effect te laten hebben, de impact moet extreem intens zijn, zoals die veroorzaakt door een vuurwapen of micrometeorieten (voorwerpen ter grootte van zandkorrels die satellieten kunnen raken met een snelheid van tien kilometer per seconde).

"Het was niet eenvoudig om effecten van deze intensiteit in het laboratorium te genereren, " legt Isa uit. Om dit te doen, de onderzoekers bedekten een klein percentage van de silicaparels met goud. Bij blootstelling aan gepulseerd laserlicht, het goud verdampt, het produceren van een krachtige schokgolf in het colloïde vergelijkbaar met de veroorzaakte, zeggen, door de inslag van een micrometeoriet.

Ultrahogesnelheidscamera's legden de actie vast door de lens van een microscoop.

"Colloïden die dergelijke eigenschappen vertonen, zijn echt interessante materialen om te bestuderen, " zegt Isa. "Bijvoorbeeld, ze kunnen zelfs worden gebruikt voor de toekomstige ontwikkeling van schilden die satellieten beschermen tegen inslagen van micrometeoriet."