Reologie en het Pitch Drop Experiment: De Vloeibaarheid van Tandpasta en Pek

Het dagelijkse ritueel van het uitknijpen van tandpasta illustreert een fundamenteel en complex natuurkundig principe: de reactie van materialen op uitgeoefende krachten. Tandpasta vertoont een dualiteit: het vloeit onder druk, maar behoudt zijn vorm in rust, wat de eenvoudige tweedeling tussen vaste stoffen en vloeistoffen ter discussie stelt. Deze materialen, waaronder diverse gels en crèmes, worden gecategoriseerd als 'zachte materie', een klasse die zowel vaste als vloeibare kenmerken bezit.

De kern van dit gedrag ligt in de interne architectuur van deze stoffen, die bestaat uit grotere bouwstenen, zoals macromoleculen of druppeltjes, gesuspendeerd in een vloeibaar medium. Deze structuren worden bijeengehouden door relatief zwakke krachten die gemakkelijk te verstoren zijn, wat resulteert in een fragiele maar zeer aanpasbare respons op externe spanningen. De specifieke reactie van een zacht materiaal hangt nauwkeurig af van zowel de intensiteit van de aangelegde kracht als de tijdschaal waarop deze wordt toegepast. Een plotselinge compressie zorgt ervoor dat tandpasta gemakkelijk vloeit, omdat het interne netwerk zich snel kan herschikken en herstellen.

Dit fenomeen wordt bestudeerd binnen de reologie, de wetenschappelijke discipline die zich richt op de vervorming en stroming van materie onder invloed van spanning. De reologie beschrijft de relatie tussen de opgelegde spanning en de daaruit voortvloeiende vervormingen, waarbij viscositeit een van de bekendste eigenschappen is. Dit concept vindt zijn oorsprong in de uitspraak van Heraclitus: 'panta rhei', wat 'alles stroomt' betekent.

De meest sprekende demonstratie van deze principes is het Pitch Drop Experiment, dat in 1927 werd gestart door professor Thomas Parnell aan de Universiteit van Queensland (UQ) in Australië. Parnell, de eerste hoogleraar Fysica aan UQ, initieerde dit experiment om aan te tonen dat alledaagse materialen verrassende eigenschappen kunnen bezitten. Het test de viscositeit van pek (pitch), een teerderivaat dat bij kamertemperatuur vast en breekbaar lijkt, maar in feite een vloeistof is met een geschatte viscositeit die 100 miljard tot 230 miljard keer die van water bedraagt. Het experiment wordt gehouden in een vitrine in de foyer van het Parnell Gebouw op de UQ-campus en wordt beschouwd als de langstlopende laboratoriumdemonstratie ter wereld.

In 1927 werd een monster van verhitte pek in een glazen trechter gegoten. Na drie jaar afkoelen werd de steel in 1930 doorgesneden, waarmee de meting begon. De eerste druppel had acht jaar nodig om te vallen, en de daaropvolgende druppels volgden een ritme van ongeveer eens in de acht jaar, variërend door seizoensgebonden temperatuurwisselingen. Sinds de start zijn er tot nu toe negen druppels geregistreerd, waarvan de laatste op 24 april 2014 viel. Professor John Mainstone, die het experiment 52 jaar lang verzorgde, overleed in 2013, kort voor de negende druppel. De huidige, derde beheerder, professor Andrew White, verwacht de tiende druppel in de late jaren 2020, mogelijk rond 2026, afhankelijk van temperatuurfluctuaties. Het experiment is continu live via internet te volgen.

De studie van rheologie blijft een actief onderzoeksveld, relevant voor sectoren als de bouw, voor het optimaliseren van materialen zoals betonspecie, en in de farmaceutische en cosmetische industrie. Het hanteren van alledaagse producten, van tandpasta met zijn specifieke schuurwaarde (RDA-waarde) tot shampoo, onthult een rijk hoofdstuk van de moderne fysica dat draait om de delicate balans tussen interne structuur en externe stroming.