Det är ett fenomen som många förskolebarn vet väl:När du blandar majsstärkelse och vatten, konstiga saker händer. Swish det försiktigt i en skål, och blandningen slosar runt som en vätska. Pressa den, och det börjar kännas som pasta. Rulla den mellan dina händer, och den stelnar till en gummiliknande boll. Försök att hålla bollen i din handflata, och det kommer att dribbla bort som en vätska.

De flesta av oss som har lekt med det här känner till det som "oobleck, "uppkallad efter en klibbig grön goo i Dr Seuss" "Bartholomew och Oobleck." Forskare, å andra sidan, hänvisa till majsstärkelse och vatten som en "icke-newtonsk vätska"-ett material som verkar tjockare eller tunnare beroende på hur det manipuleras fysiskt.

Nu har MIT -ingenjörer utvecklat en matematisk modell som förutsäger ooblecks konstiga beteende. Med hjälp av deras modell, forskarna simulerade exakt hur oobleck förvandlas från en vätska till en fast substans och tillbaka igen, under olika förhållanden.

Bortsett från att förutsäga vad sakerna kan göra i händerna på småbarn, den nya modellen kan vara användbar för att förutsäga hur oobleck och andra lösningar av ultrafina partiklar kan bete sig för militära och industriella tillämpningar. Kan ett oobleckliknande ämne fylla gropar på motorvägar och härda tillfälligt när en bil kör över den? Eller kanske kan uppslamningen stoppa fodret av skottsäkra västar, morphing kort till en extra sköld mot plötsliga stötar. Med teamets nya oobleck -modell, designers och ingenjörer kan börja utforska sådana möjligheter.

"Det är ett enkelt material att göra - du går till mataffären, köp majsstärkelse, slå sedan på din kran, "säger Ken Kamrin, docent i maskinteknik vid MIT. "Men det visar sig att reglerna som styr hur detta materialflöde är mycket nyanserade."

Kamrin, tillsammans med doktoranden Aaron Baumgarten, har publicerat sina resultat idag i Förfaranden från National Academy of Sciences .

En klumpig modell

Kamrins främsta arbete fokuserar på att karakterisera flödet av granulärt material som sand. Över åren, han har utvecklat en matematisk modell som exakt förutspår flödet av torra korn under ett antal olika förhållanden och miljöer. När Baumgarten gick med i gruppen, forskarna började arbeta med en modell för att beskriva hur mättad våt sand rör sig. Det var vid den här tiden som Kamrin och Baumgarten såg ett vetenskapligt tal om oobleck.

"Vi hade sett det här samtalet, och vi hade en lång debatt om vad som är oobleck, och hur skiljer det sig från våt sand, "Säger Kamrin." Efter lite kraftig fram och tillbaka med Aaron, han bestämde sig för att se om vi kunde göra den här våt sandmodellen till en för oobleck. "

Kornmaterial i oobleck är mycket finare än sand:En enda partikel av majsstärkelse är cirka 1 till 10 mikron bred och ungefär en hundradel storleken på ett sandkorn. Kamrin säger att partiklar i så liten skala upplever effekter som större partiklar som sand inte gör. Till exempel, eftersom majsstärkelsepartiklar är så små, de kan påverkas av temperaturen, och av elektriska laddningar som byggs upp mellan partiklar, vilket får dem att stöta lite mot varandra.

"Så länge du kramar långsamt, kornen kommer att stöta bort, hålla ett lager av vätska mellan dem, och bara glida förbi varandra, som en vätska, "Säger Kamrin." Men om du gör något för snabbt, du kommer att övervinna det lilla avskyvärdet, partiklarna kommer att röra sig, det blir friktion, och det kommer att fungera som en solid. "

Denna avstötning som sker i liten skala ger en viktig skillnad mellan stora och ultrafina kornblandningar i laboratorieskalan:Viskositeten, eller konsistensen av våt sand vid en given packningstäthet förblir densamma, oavsett om du rör det försiktigt eller slår en knytnäve i det. I kontrast, oobleck har en låg, vätskeliknande viskositet vid långsam omrörning. Men om dess yta stansas, en snabbt växande zon i uppslamningen intill kontaktpunkten blir mer viskös, får ooblecks yta att studsa tillbaka och motstå påverkan, som en rejäl studsmatta.

De fann att stress var huvudfaktorn för att avgöra om ett material var mer eller mindre visköst. Till exempel, desto snabbare och mer kraftfullt oobleck störs, det "klumpigare" det är - det vill säga ju mer de underliggande partiklarna gör friktion, i motsats till smord, Kontakt. Om den långsamt och försiktigt deformeras, oobleck är mindre viskös, med partiklar som är mer jämnt fördelade och som stöter mot varandra, som en vätska.

Teamet försökte modellera effekten av frånstötning av fina partiklar, med tanken att kanske en ny "klumpig variabel" skulle kunna läggas till deras modell av våt sand för att göra en exakt modell av oobleck. I deras modell, de inkluderade matematiska termer för att beskriva hur denna variabel skulle växa och krympa under en viss stress eller kraft.

"Nu har vi ett robust sätt att modellera hur klumpig en bit av materialet i kroppen kommer att bli när du deformerar det på ett godtyckligt sätt, "Säger Baumgarten.

Hjulen snurrar

Forskarna införlivade denna nya variabel i sin mer allmänna modell för våt sand, och tittade för att se om det skulle förutsäga ooblecks beteende. De använde sin modell för att simulera tidigare experiment av andra, inklusive en enkel installation av oobleck som kläms och skärs mellan två plattor, och en uppsättning experiment där en liten projektil skjuts in i en tank med oobleck vid olika hastigheter.

I alla scenarier, simuleringarna matchade experimentdata och reproducerade oobleckens rörelse, replikerar regionerna där den förvandlades från vätska till fast, och tillbaka igen.

För att se hur deras modell kan förutsäga ooblecks beteende under mer komplexa förhållanden, laget simulerade ett tandat hjul som körde i olika hastigheter över en djup bädd av gödseln. De hittade ju snabbare hjulet snurrade, ju mer blandningen bildade vad Baumgarten kallar en "stelningsfront" i ooblecket, som en stund stöder hjulet så att det kan rulla över utan att sjunka.

Kamrin och Baumgarten säger att den nya modellen kan användas för att utforska hur olika ultrafina partikellösningar som oobleck beter sig när de används som, till exempel, fyllningar för gropar, eller skottsäkra västar. De säger att modellen också kan hjälpa till att identifiera sätt att omdirigera slam genom system som industrianläggningar.

"Med industriavfallsprodukter, du kan få suspensioner av fina partiklar som inte flyter som du förväntar dig, och du måste flytta dem från denna kar till den kar, och det kan finnas bästa metoder som människor inte känner till ännu, för det finns ingen modell för det, "Säger Kamrin." Kanske finns det nu. "