swampthing

bron: wetenschap24

Je kunt erover heen rennen, maar er ook in baden. Een mix van maïzena en water gedraagt zich als een vloeistof én als vaste stof. Onderzoek heeft nu laten zien hoe dit wonderlijke spul werkt. ‘Jarenlang is er in mijn vakgebied gewoon de verkeerde kant uitgekeken.’ zegt professor Heinrich Jaeger dinsdag vanuit Chicago. Jaeger is natuurkundige en gespecialiseerd in de eigenschappen van vloeistoffen. Samen met zijn promovendus Scott Waitukaitis is hij erin geslaagd een jaren oud natuurkundig raadsel op te lossen, deze week te lezen in Nature. Geen kwantummechanische puzzel of een onzichtbaar deeltje, maar een huis-tuin-en-keukenproefje met enkel water en maïzena.

Een kleine hoeveelheid maïzena is een goed bindmiddel voor soepen en sauzen. Maar wanneer je een mengsel maakt met evenveel water als maïzena, ontstaat er een klef materiaal met bizarre eigenschappen. Druk je er hard op, dan is het een vaste stof. Maar als je geen kracht zet, is het een vloeistof waar je zachtjes doorheen kan roeren. In grote hoeveelheden betekent dit dat je erover heen kan rennen, maar er ook in kan wegzakken. Niet alleen maïzena, maar alle kleine deeltjes gemengd met water hebben deze eigenschap. Drijfzand werkt bijvoorbeeld op dezelfde manier. ‘De eigenschappen van zulk materiaal kunnen erg handig zijn.’ zegt Scott Waitukaitis. ‘Denk bijvoorbeeld aan een kogelvrij vest. Die zijn nu vaak erg zwaar en stijf. Maar met dit materiaal zouden ze veel lichter en flexibeler zijn. Alleen bij aanraking met een kogel wordt het hard en ondoordringbaar.’ De twee onderzoekers kwamen op het idee om het materiaal te gebruiken voor vervormbare robots. ‘Maar al snel kwamen we erachter dat er nog helemaal geen overeenstemming bestond over waarom dit materiaal zich zo bizar gedraagt.’ zegt Jaeger. ‘Hoe kan iets in een klap van een vloeistof naar een vaste stof gaan? We besloten om dat eerst te gaan onderzoeken.’

Voor het onderzoek gebruikten ze een bak met 25 liter van maïzena en water in een even verhouding. Hierop lieten ze een aluminium pijp met grote kracht neerkomen. Ze gebruikten vervolgens een hogesnelheidscamera, röntgenfotografie en een krachtmeter om te achterhalen wat er binnen in het mengsel gebeurt. De belangrijkste conclusie van dit onderzoek is dat zich na de inslag razendsnel een vaste stof vormt onder de pijp. Deze begint net onder de plek waar de pijp het mengsel raakt, en spreidt zich uit tot op de bodem. ‘Het werkt net als een sneeuwschuiver. De staaf duwt de maïzenakorreltjes tegen elkaar aan, en die duwen weer tegen korreltjes daaronder.’ Zegt Jaeger.’ Dit gaat zo door tot op de bodem. In feite zorgt de impact van de klap ervoor dat het water tussen de korrels uitgedrukt wordt. Wat overblijft is een vaste stof.’

Als je over een maïzenabad rent, vormt het materiaal onder je voeten dus een soort palen van maïzena die je dragen. Maar alleen zolang je blijft rennen. Als je stilstaat, smelten de palen weer weg. Een goede verklaring voor dit wegsmelten is er nog niet, maar volgens Jaeger is dit niet zo ingewikkeld. ´Een file op snelweg lost op een gegeven moment ook weer op. Waarschijnlijk sijpelt het water al snel weer tussen de korrels waardoor het oplost.´ Goed, zodra je erop springt duw je dus eigenlijk het water dat tussen de korreltjes inzit weg, en vormt zich tijdelijk een vaste stof. Een vrij simpele verklaring, zou je zeggen. Waarom heeft het dan toch zo lang geduurd tot deze ontdekking? ‘Dat komt vooral door de focus die er historisch gezien ligt op shear thickening.’ zegt Jaeger. Shear thickening zou je kunnen vertalen als schuifverdikking: zodra twee lagen water over elkaar schuiven wordt water minder vloeibaar. ‘Lange tijd probeerde men alles met dit fenomeen te verklaren. Maar schuifverdikking is lang niet sterk genoeg om een mens te dragen. De laatste jaren zijn er wetenschappers die buiten dit fenomeen kijken, vooral ook aan de Nederlandse universiteiten.’ Wat Jaeger vooral interessant vindt, is de werking van dit materiaal als schokdemper. ´Als een voorwerp valt, draagt het veel energie. Wanneer het dan een ondergrond raakt, moet die energie ergens heen. Het voorwerp breekt dan of raakt beschadigd. Maar als iets op een maïzenabad valt, gebeurt dit niet. De energie kan dan namelijk worden doorgegeven aan de maïzenakorreltjes. Zij vangen de klap op.´ zegt Jaeger. ´Om deze eigenschap te testen hebben we van twintig meter hoogte een ei op het mengsel laten vallen. Het brak niet. Mogelijk zou deze stof daarom kunnen worden toegepast in helmen en ander beschermend materiaal.´ De volgende stap in het onderzoek gebeurt in samenwerking met de Universiteit van Leiden, zegt Jaeger. ´Vincenzo Vitelli heeft daar een theoretisch model opgesteld voor de werking van het systeem. Dat gaan we nu experimenteel testen.’