Anmärkningsvärda flytande material som kallas kolloider stelnar vid stötar. Forskare finansierade av Swiss National Science Foundation har studerat effekten av kraftfulla effekter som de som produceras av skjutvapen eller mikrometeoriter.

Vid första ögonkastet, kolloider liknar homogena vätskor som mjölk eller blodplasma. Men i själva verket består de av partiklar i suspension. Vissa kolloider har anmärkningsvärda egenskaper:de kan stelna efter en stöt och absorbera ytstötar. Denna fastighet är av intresse för många applikationer, från skottsäkra västar till skyddssköldar för satelliter. Forskare finansierade av Swiss National Science Foundation (SNSF) fann att hur dessa kolloider fungerar kan förändras dramatiskt som svar på mycket starka effekter. Forskarna har också utvecklat en modell som gör dessa egenskaper lättare att förstå. Arbetet har publicerats i tidskriften PNAS .

SNSF-professor Lucio Isa och hans team vid ETH Zürich skapar så kallade tvådimensionella kolloidala kristaller. Kristallerna består av kiselpärlor flera tusendels millimeter i diameter i en blandning av vatten och glycerin. I samarbete med Chiara Daraio från Caltech och Stéphane Job vid Institut supérieur de mécanique de Paris, forskarna studerade hur denna typ av material absorberar stötar.

Teamet observerade att när de kolloidala partiklarna är mikrometerstora, kraften och hastigheten av stöten förändrar hur stötarna absorberas. Under en viss tröskel, vätskans viskositet är den avgörande faktorn, och klassiska modeller beskriver fenomenet mycket väl. "Du måste föreställa dig dessa små glaspärlor i sin vätska, " säger Isa. "Under en påverkan, pärlorna rör sig och sprider vätskan runt dem, mer eller mindre snabbt beroende på dess viskositet. Vätskans rörelse är det som får det hela att stelna."

När chocken är särskilt intensiv, vätskan flödar inte längre mellan pärlorna, och de deformeras. "I den här situationen, pärlornas fysiska egenskaper påverkar starkt stötdämpningen, och de vanliga ekvationerna gäller inte längre, "säger Isa.

Inverkan av en kula

För att partiklarna ska ha effekt, påverkan måste vara extremt intensiv, såsom den som orsakas av ett skjutvapen eller mikrometeoriter (objekt på storleken på sandkorn som kan träffa satelliter med en hastighet av tio kilometer per sekund).

"Det var inte lätt att generera effekter av denna intensitet i laboratoriet, "förklarar Isa. För att göra det, forskarna täckte en liten andel av kiselpärlorna med guld. När den utsätts för pulserande laserljus, guldet förångades, producerar en kraftig stötvåg i kolloiden jämförbar med den som orsakas, säga, genom nedslaget av en mikrometeorit.

Ultrahöghastighetskameror spelade in åtgärden genom linsen i ett mikroskop.

"Kolloider som uppvisar sådana egenskaper är verkligen intressanta material att studera, säger Isa. Till exempel, de kan till och med användas för den framtida utvecklingen av sköldar som skyddar satelliter mot mikrometeoriter."