Ooblecks mærkelige adfærd er nu forudsigelig

Det er et fænomen, mange førskolebørn kender godt:Når du blander majsstivelse og vand, der sker underlige ting. Sving det forsigtigt i en skål, og blandingen skvulper rundt som en væske. Klem den, og det begynder at føles som pasta. Rul den mellem dine hænder, og det størkner til en gummiagtig kugle. Prøv at holde bolden i din hule hånd, og det vil dryppe væk som en væske.

De fleste af os, der har leget med det her, kender det som "oobleck, " opkaldt efter en klæbrig grøn goo i Dr. Seuss' "Bartholomew and the Oobleck." Forskere, på den anden side, referer til majsstivelse og vand som en "ikke-newtonsk væske" - et materiale, der virker tykkere eller tyndere afhængigt af, hvordan det fysisk manipuleres.

Nu har MIT-ingeniører udviklet en matematisk model, der forudsiger ooblecks underlige adfærd. Ved at bruge deres model, forskerne simulerede nøjagtigt, hvordan oobleck bliver fra en væske til et fast stof og tilbage igen, under forskellige forhold.

Bortset fra at forudsige, hvad tingene kan gøre i hænderne på småbørn, den nye model kan være nyttig til at forudsige, hvordan oobleck og andre løsninger af ultrafine partikler kan opføre sig til militære og industrielle anvendelser. Kunne et oobleck-lignende stof fylde huller på motorvejen og midlertidigt hærde, når en bil kører over det? Eller måske kunne gyllen polstre foret på skudsikre veste, forvandles kortvarigt til et ekstra skjold mod pludselige påvirkninger. Med holdets nye oobleck-model, designere og ingeniører kan begynde at udforske sådanne muligheder.

"Det er et simpelt materiale at lave - du går til købmanden, køb majsstivelse, så tænd for din vandhane, " siger Ken Kamrin, lektor i maskinteknik ved MIT. "Men det viser sig, at reglerne, der styrer, hvordan dette materiale flyder, er meget nuancerede."

Kamrin, sammen med kandidatstuderende Aaron Baumgarten, har offentliggjort deres resultater i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences .

En klumpet model

Kamrins primære arbejde fokuserer på at karakterisere strømmen af ​​granulært materiale som sand. I årenes løb, han har udviklet en matematisk model, der præcist forudsiger strømmen af ​​tørre korn under en række forskellige forhold og miljøer. Da Baumgarten sluttede sig til gruppen, forskerne startede arbejdet med en model til at beskrive, hvordan mættet vådt sand bevæger sig. Det var omkring dette tidspunkt, at Kamrin og Baumgarten så en videnskabelig tale om oobleck.

"Vi havde set denne snak, og vi havde en lang debat om, hvad der er oobleck, og hvordan adskiller det sig fra vådt sand, " siger Kamrin. "Efter noget kraftigt frem og tilbage med Aaron, han besluttede at se, om vi kunne forvandle denne våde sandmodel til en til oobleck."

Granulært materiale i oobleck er meget finere end sand:En enkelt partikel af majsstivelse er omkring 1 til 10 mikron bred og omkring en hundrededel af størrelsen af ​​et sandkorn. Kamrin siger, at partikler i så lille skala oplever effekter, som større partikler som sand ikke gør. For eksempel, fordi majsstivelse partikler er så små, de kan påvirkes af temperatur, og ved elektriske ladninger, der opbygges mellem partikler, får dem til at afvise lidt mod hinanden.

"Så længe du klemmer langsomt, kornene vil frastøde, holde et lag væske mellem dem, og bare glider forbi hinanden, som en væske, " siger Kamrin. "Men hvis du gør noget for hurtigt, du vil overvinde den lille frastødning, partiklerne vil røre ved, der vil være friktion, og det vil fungere som et solidt."

Denne frastødning, der sker i lille skala, frembringer en nøgleforskel mellem store og ultrafine kornblandinger på laboratorieskalaen:viskositeten, eller konsistensen af ​​vådt sand ved en given pakningstæthed forbliver den samme, uanset om du rører forsigtigt i det eller slår en knytnæve i det. I modsætning, oobleck har en lav, væskelignende viskositet ved langsomt omrøring. Men hvis dens overflade er udstanset, en hurtigt voksende zone af gyllen, der støder op til kontaktpunktet, bliver mere viskøs, får ooblecks overflade til at hoppe tilbage og modstå stødet, som en solid trampolin.

De fandt ud af, at stress var hovedfaktoren til at bestemme, om et materiale var mere eller mindre tyktflydende. For eksempel, jo hurtigere og kraftigere forstyrres oobleck, jo "klumpere" det er – dvs. jo mere de underliggende partikler gør friktion, i modsætning til smurt, kontakt. Hvis det langsomt og forsigtigt deformeres, oobleck er mindre tyktflydende, med partikler, der er mere jævnt fordelt, og som frastøder hinanden, som en væske.

Holdet søgte at modellere effekten af ​​frastødning af fine partikler, med tanken om, at der måske kunne tilføjes en ny "klumphedsvariabel" til deres model af vådt sand for at lave en nøjagtig model af oobleck. I deres model, de inkluderede matematiske termer til at beskrive, hvordan denne variabel ville vokse og skrumpe under en vis stress eller kraft.

"Nu har vi en robust måde at modellere, hvor klumpet enhver del af materialet i kroppen vil være, når du deformerer den på en vilkårlig måde, " siger Baumgarten.

Hjulene snurrer

Forskerne inkorporerede denne nye variabel i deres mere generelle model for vådt sand, og så for at se, om det ville forudsige ooblecks adfærd. De brugte deres model til at simulere tidligere eksperimenter fra andre, inklusive en simpel opsætning af oobleck, der bliver klemt og klippet mellem to plader, og et sæt eksperimenter, hvor et lille projektil skydes ind i en tank af oobleck med forskellige hastigheder.

I alle scenarier, simuleringerne matchede de eksperimentelle data og reproducerede bevægelsen af ​​oobleck, replikerer de områder, hvor det omdannes fra flydende til fast stof, og tilbage igen.

For at se, hvordan deres model kunne forudsige ooblecks adfærd under mere komplekse forhold, holdet simulerede et forskudt hjul, der kørte ved forskellige hastigheder over en dyb bund af gyllen. De fandt jo hurtigere hjulet drejede, jo mere blandingen dannede, hvad Baumgarten kalder en "størkningsfront" i oobleck, der midlertidigt understøtter hjulet, så det kan rulle henover uden at synke.

Kamrin og Baumgarten siger, at den nye model kan bruges til at udforske, hvordan forskellige ultrafine-partikel-løsninger såsom oobleck opfører sig, når de tages i brug som, for eksempel, fyld til huller, eller skudsikre veste. De siger, at modellen også kan hjælpe med at identificere måder at omdirigere gylle gennem systemer som industrianlæg.

"Med industrielt affaldsprodukter, du kan få fine partikelsuspensioner, der ikke flyder, som du forventer, og du skal flytte dem fra dette kar til det kar, og der kan være bedste praksis, som folk ikke kender endnu, fordi der ikke er nogen model til det, " siger Kamrin. "Måske er der nu."