Entdecken Sie die Geheimnisse von Oobleck – seltsamen Dingen, die sowohl flüssig als auch fest sind

Oobleck ist seit langem mein Lieblingsbeispiel für eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit, und ich bin nicht allein. Es ist ein äußerst beliebtes „Küchenwissenschafts“-Experiment, weil es einfach und leicht durchzuführen ist. Mischen Sie einen Teil Wasser mit zwei Teilen Maisstärke, fügen Sie zum Spaß einen Schuss Lebensmittelfarbe hinzu, und schon haben Sie Oobleck, das sich entweder flüssig oder fest verhält, je nachdem, wie viel Stress ausgeübt wird. Langsam und gleichmäßig umrühren, bis eine Flüssigkeit entsteht. Wenn Sie kräftig darauf schlagen, wird es unter Ihrer Faust fester. Sie können sogar kleine Becken mit dem Zeug füllen und darüber laufen, da das Oobleck bei jedem Abstieg hart wird – eine auffällige Physikdemo, die natürlich häufig auf YouTube auftaucht.

Die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien dieser einfachen Substanz sind überraschend nuanciert und komplex und daher für Wissenschaftler faszinierend. Molekularingenieure an der University of Chicago haben dichte Suspensionen piezoelektrischer Nanopartikel verwendet, um zu messen, was auf molekularer Ebene passiert, wenn Oobleck vom flüssigen in das feste Verhalten übergeht, so ein neues Papier, das in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.

Gegen Ende seines Lebens legte Isaac Newton die Eigenschaften einer „idealen Flüssigkeit“ dar. Eine dieser Eigenschaften ist die Viskosität, grob definiert als wie viel Reibung/Widerstand es gibt, um in einer bestimmten Substanz zu fließen. Die Reibung entsteht, weil eine fließende Flüssigkeit im Wesentlichen aus einer Reihe von aneinander vorbeigleitenden 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 idealer Ort.

In Newtons idealer Flüssigkeit hängt die Viskosität weitgehend von Temperatur und Druck ab: Wasser fließt weiter, unabhängig von anderen Kräften, die auf es einwirken, wie etwa Rühren oder Mischen. In einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit ändert sich die Viskosität als Reaktion auf eine angelegte Dehnung oder Scherkraft, wodurch die Grenze zwischen flüssigem und festem Verhalten überschritten wird. Durch das Rühren einer Tasse Wasser entsteht eine Scherkraft, die das Wasser aus dem Weg schiebt. Die Viskosität bleibt unverändert. Aber bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wie Oobleck ändert sich die Viskosität, wenn eine Scherkraft ausgeübt wird.

Ketchup zum Beispiel ist eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit, die sich durch Scherung verdickt, was einer der Gründe dafür ist, dass der Ketchup nicht schneller herauskommt, wenn man auf den Boden der Flasche klopft; Durch Krafteinwirkung erhöht sich die Viskosität. Weitere Beispiele sind Joghurt, Soße, Schlamm, Pudding und eingedickte Kuchenfüllungen. Und das gilt auch für Oobleck. (Der Name leitet sich von einem Kinderbuch von Dr. Seuss aus dem Jahr 1949 ab. Bartholomäus und der Oobleck.) Im Gegensatz dazu weist nicht tropfende Farbe einen „scherverdünnenden“ Effekt auf, der sich leicht auftragen lässt, aber an der Wand zähflüssiger wird.

Im Jahr 2019 entwickelten MIT-Forscher ein praktisches mathematisches Modell, um vorherzusagen, wie Oobleck unter verschiedenen Bedingungen von flüssig in fest und wieder zurück übergeht. Sie adaptierten ihr Arbeitsmodell für nassen Sand, ein körniges Material. Es gibt einige Ähnlichkeiten, aber die Maisstärkepartikel im Oobleck sind ein Hundertstel so groß wie Sandkörner (zwischen 1 und 10 Mikrometer). Bei diesen kleinen Größenskalen ist die Physik deutlich anders. Beispielsweise hat die Temperatur einen stärkeren Einfluss auf Maisstärkepartikel, ebenso wie elektrische Ladungen, die sich zwischen den Partikeln aufbauen und einen Abstoßungseffekt hervorrufen. Während also nasser Sand unabhängig von der ausgeübten Belastung (z. B. Rühren oder Stanzen) bei jeder gegebenen Packungsdichte die gleiche Viskosität aufweist, ändert sich die Viskosität von Oobleck dramatisch.

Das MIT-Team fügte seinem Modell speziell eine „Klumpigkeitsvariable“ hinzu, die das Ausmaß des Reibungskontakts zwischen Maisstärkepartikeln im Gegensatz zum Schmierkontakt beschreibt, um vorherzusagen, wie sich diese neue Variable als Reaktion auf unterschiedliche Belastungen verändern würde. Anschließend führten sie Computersimulationen früherer Laborexperimente durch, bei denen es darum ging, Oobleck zwischen zwei Platten zu quetschen und zu scheren und ein simuliertes kleines Projektil in einen Tank voller Oobleck zu schießen, um die Vorhersagen des Modells zu testen. Diese Simulationen stimmten mit den experimentellen Ergebnissen früherer Studien überein.