È un fenomeno che molti bambini in età prescolare conoscono bene:quando mescoli amido di mais e acqua, accadono cose strane. Swish delicatamente in una ciotola, e il composto si rovescia come un liquido. Spremilo, e inizia a sembrare pasta. Arrotolalo tra le tue mani, e si solidifica in una palla gommosa. Prova a tenere quella palla nel palmo della tua mano, e gocciolerà via come un liquido.

La maggior parte di noi che ha giocato con questa roba lo sa come "oobleck, " prende il nome da una sostanza appiccicosa verde in "Bartholomew and the Oobleck" del Dr. Seuss. Scienziati, d'altra parte, si riferiscono all'amido di mais e all'acqua come a un "fluido non newtoniano", un materiale che appare più spesso o più sottile a seconda di come viene manipolato fisicamente.

Ora gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un modello matematico che prevede lo strano comportamento di oobleck. Usando il loro modello, i ricercatori hanno simulato accuratamente come l'oobleck si trasforma da liquido a solido e viceversa, sotto varie condizioni.

Oltre a prevedere cosa potrebbe fare la roba nelle mani dei bambini piccoli, il nuovo modello può essere utile per prevedere come potrebbero comportarsi oobleck e altre soluzioni di particelle ultrafini per applicazioni militari e industriali. Potrebbe una sostanza simile a un oobleck riempire le buche dell'autostrada e indurirsi temporaneamente mentre un'auto ci passa sopra? O forse la poltiglia potrebbe imbottire la fodera dei giubbotti antiproiettile, trasformandosi brevemente in uno scudo aggiuntivo contro gli impatti improvvisi. Con il nuovo modello oobleck del team, designer e ingegneri possono iniziare a esplorare tali possibilità.

"È un materiale semplice da realizzare:vai al supermercato, comprare amido di mais, poi apri il rubinetto, "dice Ken Kamrin, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Ma si scopre che le regole che governano il flusso di questo materiale sono molto sfumate".

Kamrin, insieme allo studente laureato Aaron Baumgarten, hanno pubblicato oggi i loro risultati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Un modello grumoso

Il lavoro principale di Kamrin si concentra sulla caratterizzazione del flusso di materiale granulare come la sabbia. Negli anni, ha sviluppato un modello matematico che prevede con precisione il flusso di cereali secchi in una serie di condizioni e ambienti diversi. Quando Baumgarten si unì al gruppo, i ricercatori hanno iniziato a lavorare su un modello per descrivere come si muove la sabbia bagnata satura. Fu in questo periodo che Kamrin e Baumgarten videro un discorso scientifico su oobleck.

"Avevamo visto questo discorso, e abbiamo avuto un lungo dibattito su cosa sia oobleck, e come è diverso dalla sabbia bagnata, " dice Kamrin. "Dopo alcuni vigorosi avanti e indietro con Aaron, ha deciso di vedere se potevamo trasformare questo modello di sabbia bagnata in uno per oobleck."

Il materiale granulare nell'oobleck è molto più fine della sabbia:una singola particella di amido di mais è larga da 1 a 10 micron e circa un centesimo delle dimensioni di un granello di sabbia. Kamrin dice che le particelle su una scala così piccola sperimentano effetti che le particelle più grandi come la sabbia non lo fanno. Ad esempio, perché le particelle di amido di mais sono così piccole, possono essere influenzati dalla temperatura, e dalle cariche elettriche che si accumulano tra le particelle, facendoli respingere leggermente l'uno contro l'altro.

"Finché schiacci lentamente, i grani si respingeranno, mantenendo uno strato di fluido tra di loro, e scivolano l'uno accanto all'altro, come un fluido, " dice Kamrin. "Ma se fai qualcosa troppo in fretta, supererai quella piccola repulsione, le particelle toccheranno, ci sarà attrito, e agirà come un solido."

Questa repulsione che avviene su piccola scala fa emergere una differenza chiave tra miscele di grani grandi e ultrafini su scala di laboratorio:la viscosità, o la consistenza della sabbia bagnata a una data densità di imballaggio rimane la stessa, se lo mescoli delicatamente o ci sbatti un pugno. In contrasto, oobleck ha un basso, viscosità simile a un liquido quando mescolato lentamente. Ma se la sua superficie è perforata, una zona in rapida crescita dell'impasto liquido adiacente al punto di contatto diventa più viscosa, facendo rimbalzare la superficie dell'oobleck e resistere all'impatto, come un solido trampolino.

Hanno scoperto che lo stress era il fattore principale nel determinare se un materiale fosse più o meno viscoso. Ad esempio, il più veloce e più forte oobleck è disturbato, il "più grossolano" è, cioè più le particelle sottostanti fanno attrito, al contrario di lubrificato, contatto. Se si deforma lentamente e delicatamente, oobleck è meno viscoso, con particelle più uniformemente distribuite 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 una nuova "variabile di grumi" potrebbe essere aggiunta 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 si sarebbe ridotta sotto un certo stress o forza.

"Ora abbiamo un modo robusto per modellare quanto sarà grumoso qualsiasi pezzo del materiale nel corpo mentre lo deformi in modo arbitrario, "dice Baumgarten.

Ruote che girano

I ricercatori hanno incorporato questa nuova variabile nel loro modello più generale per la sabbia bagnata, e guardò per vedere se avrebbe previsto il comportamento di oobleck. Hanno usato il loro modello per simulare esperimenti precedenti di altri, inclusa una semplice configurazione di oobleck che viene schiacciato e tranciato tra due piastre, e una serie di esperimenti in cui un piccolo proiettile viene sparato in un serbatoio di oobleck a velocità diverse.

In tutti gli scenari, le simulazioni corrispondevano ai dati sperimentali e riproducevano il movimento dell'oobleck, replicando le regioni in cui si è trasformato da liquido a solido, e ritorno.

Per vedere come il loro modello potrebbe prevedere il comportamento di oobleck in condizioni più complesse, il team ha simulato una ruota dentata che guida a diverse velocità su un letto profondo del liquame. Hanno scoperto che più velocemente la ruota girava, più la miscela formava quello che Baumgarten chiama un "fronte di solidificazione" nell'oobleck, che sostiene 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 varie soluzioni di particelle ultrafini come oobleck quando vengono utilizzate come, ad esempio, otturazioni per buche, o giubbotti antiproiettile. Dicono che il modello potrebbe anche aiutare a identificare modi per reindirizzare i fanghi attraverso sistemi come gli impianti industriali.

"Con i prodotti di scarto industriale, potresti ottenere sospensioni di particelle fini che non scorrono come ti aspetti, e devi spostarli da questa vasca a quella vasca, e potrebbero esserci buone pratiche che le persone non conoscono ancora, perché non c'è un modello per questo, " dice Kamrin. "Forse adesso c'è."