Enthüllung der Geheimnisse von Oobleck, einer seltsamen flüssigen und festen Substanz

Oobleck gibt es schon seit langer Zeit Mein Lieblingsbeispiel von uns Nicht-Newtonsche FlüssigkeitUnd ich bin nicht alleine. Es ist sehr beliebt Experiment „Küchenwissenschaft“. Weil es einfach und leicht zuzubereiten ist. Mischen Sie einen Teil Wasser mit zwei Teilen Maisstärke, fügen Sie zum Spaß etwas Lebensmittelfarbe hinzu und schon haben Sie Oobleck, das sich je nach ausgeübtem Druck entweder flüssig oder fest verhält. Rühren Sie es langsam und gleichmäßig um, solange es flüssig ist. Wenn Sie kräftig darauf schlagen, wird es fester unter Ihrem Griff. Sie können auch kleine Pfützen mit Gegenständen füllen und darüber laufen, da sich Oobleck jedes Mal verfestigt, wenn Sie heruntertreten – eine auffällige physische Darstellung, die häufig auf natürliche Weise auftritt Auf Youtube.

Die physikalischen Grundprinzipien dieser einfachen Substanz sind überraschend komplex und kompliziert und daher für Wissenschaftler faszinierend. Einer aktuellen Studie zufolge haben Molekularingenieure an der Universität von Chicago dichte Suspensionen piezoelektrischer Nanopartikel verwendet, um zu messen, was auf molekularer Ebene passiert, wenn das Verhalten des Ooblecks von flüssig zu fest wechselt. Neues Papier Veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Gegen Ende seines Lebens bestimmte Isaac Newton die Eigenschaften einer „idealen Flüssigkeit“. Eine dieser Eigenschaften ist Viskositätist grob definiert als die Menge an Reibung/Widerstand, die in einem bestimmten Material fließt. Reibung entsteht, weil die fließende Flüssigkeit im Wesentlichen aus einer Reihe übereinander gleitender Schichten besteht. Je schneller eine Schicht über eine andere gleitet, desto größer ist der Widerstand; Je langsamer eine Schicht über eine andere gleitet, desto geringer ist der Widerstand. Aber die Welt ist kein perfekter Ort.

In Newtons ideale FlüssigkeitDie Viskosität hängt weitgehend von Temperatur und Druck ab: Wasser fließt weiter, unabhängig von anderen Kräften, die auf es einwirken, wie etwa Rühren oder Mischen. In nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ändert sich die Viskosität als Reaktion auf einen ausgeübten Druck oder eine Scherkraft, wodurch die Grenzen zwischen flüssigem und festem Verhalten überschritten werden. Das Bewegen einer Tasse Wasser erzeugt eine Scherkraft und die Wasserschere bewegt sich aus dem Weg. Die Viskosität bleibt unverändert. Bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wie undurchsichtigen Flüssigkeiten ändert sich jedoch die Viskosität, wenn Scherkräfte angewendet werden.

Ketchup zum Beispiel ist eine scherdicke, nicht-Newtonsche Flüssigkeit, was einer der Gründe dafür ist, dass der Ketchup nicht schneller austritt, wenn er auf den Boden der Flasche trifft; Durch Krafteinwirkung erhöht sich die Viskosität. Weitere Beispiele sind Joghurt, Soße, Brei, Pudding und dicke Kuchenfüllungen. Und Oobleck auch. (Der Name stammt aus Dr. Seuss‘ Kinderbuch von 1949, Bartholomäus und Oobleck.) Im Gegensatz dazu weist nicht tropfende Farbe einen „scherverdünnenden“ Effekt auf, lässt sich leicht abbürsten, wird aber nach dem Auftragen auf die Wand zähflüssiger.

Im Jahr 2019 Entwickelt von Forschern des Massachusetts Institute of Technology Ein nützliches mathematisches Modell zur Vorhersage, wie Oobleck unter verschiedenen Bedingungen von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand und wieder zurück übergeht. Sie passten ihr Geschäftsmodell an Nasssand, ein körniges Material, an. Es gibt einige Ähnlichkeiten, aber die Maisstärkemoleküle im Oobleck sind etwa ein Hundertstel so groß wie Sandkörner (zwischen 1 und 10 Mikrometer). Auf diesen kleinen Maßstäben ist die Physik deutlich anders. Beispielsweise hat die Temperatur einen größeren Einfluss auf Maisstärkemoleküle, ebenso wie elektrische Ladungen, die sich zwischen den Molekülen aufbauen und eine abstoßende Wirkung haben. Während daher nasser Sand bei jeder gegebenen Packungsdichte unabhängig vom ausgeübten Druck (z. B. Rühren oder Perforation) die gleiche Viskosität aufweist, ändert sich die Viskosität von opaleszierendem Sand dramatisch.

MIT-Team Speziell hinzugefügt Die „Verklumpungsvariable“ ihres Modells beschreibt das Ausmaß des Reibungskontakts zwischen Maisstärkemolekülen und nicht des Schmierkontakts, um vorherzusagen, wie sich diese neue Variable als Reaktion auf unterschiedliche Drücke verändern wird. Anschließend führten sie Computersimulationen früherer Laborexperimente durch, bei denen das Oobleck zwischen zwei Platten komprimiert und geschert und ein kleines simuliertes Projektil auf den Oobleck-Tank abgefeuert wurde, um die Vorhersagen des Modells zu testen. Diese Simulationen stimmten mit den experimentellen Ergebnissen früherer Studien überein.