La dinamica di Oobleck è ora prevedibile

La dinamica di Oobleck: gli ingegneri del MIT sviluppano un materiale, con una miscela di acqua e amido di mais, che si trasforma da liquido a solido e viceversa.

È un fenomeno che molti bambini in età prescolare conoscono bene: quando mescoli amido di mais e acqua, accadono cose strane. Inserendola delicatamente in una ciotola la miscela scivola come un liquido. Strizzala e inizia a sembrare una pasta. Nel momento in cui la rotoli tra le mani si solidifica trasformandosi in una palla gommosa. Prova a tenere quella palla nel palmo della tua mano e scivolerà via come un liquido.

La maggior parte di noi che ha giocato con questo materiale lo conosce come Oobleck, che prende il nome da una sostanza verde appiccicosa: “Bartholomew and the Oobleck” del Dottor Seuss. Gli scienziati, d'altra parte, si riferiscono all'amido di mais e all'acqua come un “non Fluido newtoniano”, un materiale che appare più spesso o più sottile a seconda di come viene manipolato fisicamente.

Ora gli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato un modello matematico che prevede lo strano comportamento di Oobleck. Usando il loro modello, i ricercatori hanno utilizzato con precisione il modo in cui l'oobleck si trasforma da liquido a solido e viceversa, in varie condizioni.

Il nuovo modello può essere utile per prevedere come potrebbero comportarsi altre soluzioni di particelle ultrafini per applicazioni militari e industriali. Una sostanza simile a un Oobleck può riempire le buche dell'autostrada e indurirsi temporaneamente mentre un'auto la percorre? O forse la sospensione potrebbe riempire il rivestimento dei giubbotti antiproiettile, trasformandosi brevemente in uno scudo aggiunto contro gli impatti improvvisi. Con il nuovo modello Oobleck del team, i progettisti e gli ingegneri possono iniziare a esplorare tali possibilità.

“È un materiale semplice da realizzare: vai in drogheria, acquisti amido di mais, quindi apri il rubinetto”, afferma il dottor Ken Kamrin, (1) professore associato di ingegneria meccanica al MIT. “Tuttavia, risulta che le dinamiche che regolano il modo in cui questo materiale scorre sono molto sfumate”. Il dottor Ken Kamrin, insieme allo studente universitario Aaron Baumgarten, hanno pubblicato i loro risultati alla National Academy of Sciences. (2)

Il lavoro principale del dottor Ken Kamrin si concentra sulla caratterizzazione del flusso di materiale granulare come la sabbia. Nel corso degli anni, ha sviluppato un modello matematico che prevede con precisione il flusso di granaglie secche in diverse condizioni e ambienti. Quando il dottor Aaron Baumgarten si unì al gruppo, i ricercatori iniziarono a lavorare su un modello per descrivere come si muove la sabbia bagnata satura. Fu in questo periodo che Kamrin e Baumgarten individuarono un teorema scientifico su Oobleck.

Il materiale granulare in Oobleck è molto più fine della sabbia: una singola particella di amido di mais ha una larghezza da 1 a 10 micron, che corrisponde a circa un centesimo delle dimensioni di un granello di sabbia. Il dottor Ken Kamrin afferma che le particelle a così piccola scala hanno effetti che le particelle più grandi come la sabbia non hanno. Ad esempio, poiché le particelle di amido di mais sono così piccole, possono essere influenzate dalla temperatura e dalle cariche elettriche che si accumulano tra le particelle, facendole respingere leggermente l'una contro l'altra.

Questa repulsione che si manifesta su piccola scala fa emergere una differenza chiave tra le miscele di grani grandi e ultra fini a livello di laboratorio: la viscosità o la consistenza della sabbia bagnata a una data densità di impaccamento rimane la stessa, indipendentemente dal fatto che la mescoli delicatamente o colpisca un pugno in esso. Al contrario, Oobleck ha una bassa viscosità simile a un liquido quando viene agitato lentamente. Ma se la sua superficie è perforata, una zona in rapida crescita della sospensione adiacente al punto di contatto diventa più viscosa, facendo rimbalzare indietro la superficie oobleck e resistere all'impatto, come un solido trampolino.

Gli ingegneri del MIT hanno scoperto che lo stress era il fattore principale nel determinare se un materiale risultava più o meno viscoso. Ad esempio, più veloce e più energicamente il trabocco è disturbato, più è "maggiormente ingombrante" - cioè, più le particelle sottostanti producono un contatto di attrito, anziché lubrificato. Se viene lentamente e delicatamente deformato, l'Oobleck è meno viscoso, con particelle che sono distribuite più uniformemente e che si respingono l'una contro l'altra, come un liquido.

Il team ha cercato di modellare l'effetto della repulsione delle particelle fini, con l'idea che forse un nuovo “ammasso di materiale” potrebbe essere aggiunto al loro modello di sabbia bagnata per creare un modello accurato di Oobleck. Nel loro modello, includevano termini matematici per descrivere come questa variabile sarebbe cresciuta e ridotta sotto un certo stress o forza.

I ricercatori hanno incorporato questa nuova variabile nel loro modello più generale per la sabbia bagnata cercando di vedere se avrebbe previsto la dinamica comportamentale dell'Oobleck. Hanno usato il loro modello per simulare altri esperimenti precedenti, tra cui una semplice configurazione dell'Oobleck compresso e tranciato tra due piastre e una serie di esperimenti in cui un piccolo proiettile viene sparato in un serbatoio di Oobleck a diverse velocità.

In tutti gli scenari, le simulazioni combaciano con i dati sperimentali e riproducono il movimento dell'Oobleck, replicando le regioni in cui si è trasformato da liquido a solido e viceversa.

Per vedere come il loro modello potrebbe prevedere il comportamento dell'Oobleck in condizioni più complesse, il team ha simulato una ruota dentata che guida a velocità diverse su un letto profondo del liquame. Essi hanno constatato una maggior velocità della rotazione della ruota. La miscela ha formato quello che il dottor Baumgarten chiama un "fronte di solidificazione" nell'Oobleck, che supporta momentaneamente la ruota in modo che possa rotolare senza affondare.

Kamrin e Baumgarten affermano che il nuovo modello può essere utilizzato per esplorare come si comportano le varie soluzioni di particelle ultrafine come l'Oobleck quando vengono utilizzate come, ad esempio, otturazioni per buche o giubbotti antiproiettile. Essi sostengono che il modello potrebbe anche aiutare a identificare i modi per reindirizzare i fanghi attraverso sistemi come gli impianti industriali.

Questa ricerca è stata supportata, in parte, dall'Army Research Office e dal National Science Foundation.

Riferimenti:

(1) Ken Kamrin

(2) A general constitutive model for dense, fine-particle suspensions validated in many geometries

Descrizione foto: un nuovo modello prevede come l'amido di mais e l'acqua, un fluido non newtoniano, possano comportarsi come un solido o un liquido, a seconda della velocità con cui si deforma. Quando roteato lentamente in un bicchiere, la miscela funge da liquido. Ma quando si deforma rapidamente, può comportarsi come un solido gommoso, formando una corda simile alla colla come (mostrato qui in serie) un martello estrae un chiodo dalla miscela. - Credit: A. Baumgarten, K. Kamrin, and J. Bales del Massachusetts Institute of Technology.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Oobleck’s weird behavior is now predictable