دانشمندان اکنون قادر به پیش‌بینی رفتار عجیب اوبلک هستند

اوبلک (oobleck)، به‌عنوان سیال غیر نیوتنی نیز شناخته می‌شود. این ماده رفتار عجیبی از خود نشان می‌دهد. گاهی مانند مایع و گاهی مانند جامد عمل می‌کند. اوبلک از نشاسته‌ی ذرت و آب درست می‌شود و می‌تواند در هر جا از دنیا، ساعت‌ها کودکان را به‌خود مشغول کند.

اگر به این ماده ضربه بزنید، شبیه جامد عمل می‌کند و اگر سعی کنید آن را به‌آرامی بلند کنید، از میان انگشتانتان به‌سمت پایین جاری می‌شود.  اما در حقیقت کارکرد آن چگونه است؟ پیش‌بینی می‌کنید که حرکت یک جسم درون این ماده به چه شکلی باشد؟

پژوهشگران MIT، مطالعه‌ای روی این ماده‌ی جادویی انجام داده‌اند. آن‌ها به‌تازگی یک مدل ریاضی سه‌بعدی منتشر کرده‌اند که می‌تواند زمان تغییر حالت اوبلک از جامد به مایع و برعکس را پیش‌بینی کند.

پژوهشگران توضیح دادند:

زمانی‌که ذرات ریز معلق (مانند نشاسته‌ی ذرت همراه‌با آب) را کم یا زیاد کنید، تغییرات شدیدی در گرانروی آن‌ها ایجاد می‌شود که همین رفتار باعث جلب توجه کودکان و حتی رئولوژیست‌ها می‌شود. در این پژوهش، با ترکیب تئوری‌ها‌ی فاز ذره و مایع، یک مدل کلی سه‌بعدی پیش‌بینی‌کننده معرفی می‌کنیم. 

نام اوبلک از ماده‌ی چسبناکی گرفته شده است که در کتاب بارثولومئو و اوبلک دکتر سوز به آن اشاره شده است. اما این ماده فقط برای شگفتی و حیرت کودکان نیست؛ بلکه مدت زیادی است که به‌دلیل رفتار متفاوتش در مقابل کنش خارجی، دانشمندان را نیز در شگفتی قرار داده است.

دلیل این‌گونه رفتار سیال‌های غیر‌نیوتنی، اندازه‌ی خود ذرات است. برای مثال، اندازه‌ی همین ذرات نشاسته‌ی ذرت، تنها کسر کوچکی از اندازه‌ی یک دانه‌ی شن است. این ذرات به دلیل کوچکی خود، تحت تأثیر دما و بار‌ها‌ی الکتریکی اطرافشان قرار می‌گیرند.

اگر به‌آرامی در اوبلک حرکت کنید، دانه‌ها‌ی اوبلک، یکدیگر را پس می‌زنند و به‌آرامی از سر راه کنار می‌روند. اما اگر به سریعا به مایع ضربه وارد کنید، ذرات تشکیل‌دهنده‌ی آن به‌سختی به یکدیگر ضربه می‌زنند و اصطکاکی که میان آن‌ها وجود دارد، باعث یک انسجام جامد مانند بین‌شان می‌شود.

کن کامرین، مهندس مکانیک MIT گفت:

درست کردن این ماده، کار بسیار ساده‌ای است. کافی است به مغازه‌ی خواروبار فروشی بروید، نشاسته‌ی ذرت بخرید و سپس شیر آب را باز کنید و نشاسته‌ی ذرت را با آب مخلوط کنید. اما به‌نظر می‌رسد قوانین بسیار ظریفی بر انواع حرکت و رفتار این ماده‌ی ساده حاکم است.

تیم پژوهشی مورد نظر، روی مدلی برای شن خیس نیز کار کرده‌اند اما برای اینکه همه‌ی متغیر‌ها‌ی لازم برای اوبلک را به‌دست آورند، باید این مدل را تصحیح کنند.

پژوهشگران برای اطمینان از تطابق کارکرد مدل با واقعیت، پس از تصحیح آن، آزمایش‌ها‌یی را شبیه‌سازی کردند که قبلا روی سیال غیر‌نیوتنی امتحان شده است. از جمله‌ی این آزمایش‌ها، صاف‌کردن اوبلک بین صفحات تخت و پرتاب جسمی به داخل مخزن اوبلک است. سپس پژوهشگران برای مشاهده‌ی طریقه‌ی پیش‌بینی مدل از رفتار اوبلک، یک چرخ X مانند را شبیه‌سازی کردند که این چرخ با سرعت‌ها‌ی مختلف درون ماده حرکت می‌کند.

برای درک کارکرد این شبیه‌سازی به تصویر زیر توجه کنید.

همین که چرخ X مانند درون شاره حرکت می‌کند، مدل مورد نظر می‌تواند زمان تغییر حالت اوبلک از مایع به جامد و برعکس آن را پیش‌بینی کند.

با اینکه این پژوهش بیشتر شبیه سرگرمی است، پژوهشگران فکر می‌کنند بتوانند از این مدل‌سازی برای آزمایش اوبلک در جهت استفاده از جلیقه‌ها‌ی ضد‌گلوله استفاده کرد. اما این سؤال که آیا اوبلک می‌تواند گلوله را متوقف کند یا نه، در ویدئو‌ی زیر پاسخ داده شده است.

این پژوهش در PNAS منتشر شده است.