É um fenômeno que muitos pré-escolares conhecem bem:quando você mistura amido de milho e água, coisas estranhas acontecem. Swish delicadamente em uma tigela, e a mistura se espalha como um líquido. Aperte, e começa a parecer uma pasta. Role entre suas mãos, e se solidifica em uma bola de borracha. Tente segurar essa bola na palma da sua mão, e escorrerá como um líquido.

A maioria de nós que brincou com esse material o conhece como "oobleck, "nomeado após uma gosma verde pegajosa em" Bartholomew and the Oobleck "do Dr. Seuss. Cientistas, por outro lado, referem-se ao amido de milho e à água como um "fluido não newtoniano" - um material que parece mais espesso ou mais fino dependendo de como é fisicamente manipulado.

Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um modelo matemático que prevê o comportamento estranho de oobleck. Usando seu modelo, os pesquisadores simularam com precisão como o oobleck passa de um líquido para um sólido e vice-versa, sob várias condições.

Além de prever o que as coisas podem fazer nas mãos de crianças, o novo modelo pode ser útil para prever como oobleck e outras soluções de partículas ultrafinas podem se comportar para aplicações militares e industriais. Será que uma substância semelhante a oobleck pode preencher buracos na estrada e endurecer temporariamente quando um carro passa por cima dela? Ou talvez a lama pudesse cobrir o forro de coletes à prova de balas, transformando-se brevemente em um escudo adicional contra impactos repentinos. Com o novo modelo oobleck da equipe, designers e engenheiros podem começar a explorar essas possibilidades.

"É um material simples de fazer - você vai ao supermercado, comprar amido de milho, em seguida, abra sua torneira, "diz Ken Kamrin, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "Mas acontece que as regras que governam como esse material flui são muito matizadas."

Kamrin, junto com o estudante de graduação Aaron Baumgarten, publicaram seus resultados hoje no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Um modelo desajeitado

O trabalho principal de Kamrin se concentra na caracterização do fluxo de material granular, como areia. Ao longo dos anos, ele desenvolveu um modelo matemático que prevê com precisão o fluxo de grãos secos sob uma série de condições e ambientes diferentes. Quando Baumgarten se juntou ao grupo, os pesquisadores começaram a trabalhar em um modelo para descrever como a areia úmida saturada se move. Foi nessa época que Kamrin e Baumgarten assistiram a uma palestra científica no oobleck.

"Nós tínhamos visto esta palestra, e tivemos um longo debate sobre o que é oobleck, e como é diferente da areia molhada, "Kamrin diz." Depois de algumas idas e vindas vigorosas com Aaron, ele decidiu ver se poderíamos transformar este modelo de areia úmida em um para oobleck. "

O material granular em oobleck é muito mais fino do que areia:uma única partícula de amido de milho tem cerca de 1 a 10 mícrons de largura e cerca de um centésimo do tamanho de um grão de areia. Kamrin diz que as partículas em uma escala tão pequena experimentam efeitos que as partículas maiores, como a areia, não. Por exemplo, porque as partículas de amido de milho são tão pequenas, eles podem ser influenciados pela temperatura, e por cargas elétricas que se acumulam entre as partículas, fazendo com que eles se repelam levemente um contra o outro.

"Contanto que você esmague lentamente, os grãos vão repelir, mantendo uma camada de fluido entre eles, e apenas deslizam um pelo outro, como um fluido, "Kamrin diz." Mas se você fizer algo muito rápido, você vai superar essa pequena repulsão, as partículas vão tocar, haverá atrito, e funcionará como um sólido. "

Esta repulsão acontecendo em pequena escala traz uma diferença chave entre misturas de grãos grandes e ultrafinos em escala de laboratório:a viscosidade, ou a consistência da areia úmida em uma determinada densidade de empacotamento permanece a mesma, se você mexer suavemente ou bater com o punho nele. Em contraste, oobleck tem um baixo, viscosidade de líquido quando agitada lentamente. Mas se sua superfície for perfurada, uma zona de crescimento rápido da pasta adjacente ao ponto de contato torna-se mais viscosa, fazendo com que a superfície do oobleck se recupere e resista ao impacto, como um trampolim sólido.

Eles descobriram que o estresse era o principal fator para determinar se um material era mais ou menos viscoso. Por exemplo, quanto mais rápido e com mais força o oobleck é perturbado, mais "aglomerado", isto é, quanto mais as partículas subjacentes causam atrito, ao contrário de lubrificado, contato. Se for lenta e suavemente deformado, oobleck é menos viscoso, com partículas mais uniformemente distribuídas e que se repelem, como um líquido.

A equipe procurou modelar o efeito de repulsão de partículas finas, com a ideia de que talvez uma nova "variável de aglomeração" pudesse ser adicionada ao modelo de areia úmida para fazer um modelo preciso de oobleck. Em seu modelo, eles incluíram termos matemáticos para descrever como essa variável aumentaria e diminuiria sob uma certa tensão ou força.

"Agora temos uma maneira robusta de modelar o quão grudento qualquer pedaço do material no corpo ficará conforme você o deforma de forma arbitrária, "Diz Baumgarten.

Rodas girando

Os pesquisadores incorporaram esta nova variável em seu modelo mais geral para areia úmida, e olhou para ver se iria prever o comportamento de oobleck. Eles usaram seu modelo para simular experimentos anteriores de outros, incluindo uma configuração simples de oobleck sendo espremido e cortado entre duas placas, e um conjunto de experimentos em que um pequeno projétil é lançado em um tanque de oobleck em diferentes velocidades.

Em todos os cenários, as simulações corresponderam aos dados experimentais e reproduziram o movimento do oobleck, replicando as regiões onde se transformou de líquido em sólido, e de volta.

Para ver como seu modelo poderia prever o comportamento do oobleck em condições mais complexas, a equipe simulou uma roda dentada dirigindo em velocidades diferentes sobre um leito profundo de lama. Eles descobriram que quanto mais rápido a roda girava, quanto mais a mistura formava o que Baumgarten chama de "frente de solidificação" no oobleck, que momentaneamente apóia a roda para que ela possa rolar sem afundar.

Kamrin e Baumgarten dizem que o novo modelo pode ser usado para explorar como várias soluções de partículas ultrafinas, como o oobleck, se comportam quando colocadas em uso como, por exemplo, recheios para buracos, ou coletes à prova de balas. Eles dizem que o modelo também pode ajudar a identificar maneiras de redirecionar as polpas por meio de sistemas como plantas industriais.

"Com resíduos industriais, você pode obter suspensões de partículas finas que não fluem da maneira que você espera, e você tem que movê-los deste tanque para aquele tanque, e pode haver práticas recomendadas que as pessoas ainda não conheçam, porque não há modelo para isso, "Kamrin diz." Talvez agora haja. "