Fizyka Materii Miękkiej: Od Codziennej Pasty do Stuletniego Eksperymentu z Paku

Codzienne wyciskanie pasty do zębów z tubki stanowi namacalną demonstrację złożonych praw fizycznych, rządzących zachowaniem materiałów pod wpływem zewnętrznych sił. Substancje te, do których zaliczają się kremy i żele, wymykają się prostej klasyfikacji na ciała stałe i ciecze, jaką często poznajemy w edukacji szkolnej. Materiały te kwalifikowane są jako materia miękka, ponieważ wykazują one dwojakie właściwości, jednocześnie przypominające ciało stałe i płyn. Właściwości te wynikają z ich wewnętrznej architektury, składającej się z większych elementów, takich jak makromolekuły lub kropelki zawieszone w medium płynnym. Struktury te utrzymywane są przez słabe, łatwo ulegające zakłóceniom oddziaływania, co nadaje im kruchość, ale jednocześnie dużą adaptacyjność na naprężenia zewnętrzne.

Reologia, nauka badająca deformację i przepływ pod obciążeniem, dostarcza ramy teoretyczne do analizy tego zależnego od siły i czasu zachowania. W kontekście historycznym, koncepcja ta rezonuje ze starożytną grecką maksymą Heraklita, „panta rhei”, co oznacza „wszystko płynie”. Najbardziej ikoniczną manifestacją tych zasad jest Eksperyment Kropli Smoły (lub Paku) prowadzony na Uniwersytecie Queenslandu (UQ) w Australii, zainicjowany w 1927 roku przez profesora Thomasa Parnella. Eksperyment ten ma na celu empiryczne wykazanie, że pak węglowy, który w temperaturze pokojowej jawi się jako ciało stałe, zdolne do kruszenia się młotkiem, jest w istocie cieczą o ekstremalnie wysokiej lepkości. Lepkość paku oszacowano na ponad 200 miliardów razy większą niż lepkość wody.

Po usunięciu uszczelnienia lejka w 1930 roku, do kwietnia 2014 roku zaobserwowano spadek zaledwie dziewięciu kropli, co czyni to doświadczenie najdłużej trwającym eksperymentem laboratoryjnym, odnotowanym w Księdze Rekordów Guinnessa. Profesor Parnell, który zmarł w 1948 roku, nie doczekał się upadku pierwszej kropli, która spłynęła dopiero w 1938 roku. Dynamika przepływu pasty do zębów jest bezpośrednio związana z reologią; nagłe ściśnięcie tubki powoduje szybką rearanżację wewnętrznej sieci strukturalnej materiału, co ułatwia płynięcie. Podobnie, wstrząśnięcie szamponem powoduje wyrównanie jego cząsteczek w kształcie robaków, co redukuje opór i ułatwia wylewanie.

Obecnie nadzorcą Eksperymentu Kropli Smoły jest profesor Andrew White, trzeci kustosz tego dziedzictwa, a spadek dziesiątej kropli jest prognozowany na późne lata 2020. Profesor John Mainstone, który przejął opiekę w 1961 roku i nadzorował eksperyment przez 52 lata, zmarł w 2013 roku, nie doczekawszy się osobiście upadku dziewiątej kropli. Od ósmej kropli, czyli od 1988 roku, eksperyment jest prowadzony w kontrolowanych warunkach, a od połowy lat 80. pomieszczenie jest klimatyzowane, co wpłynęło na spowolnienie tempa spływania paku. Na przykład, po siódmej kropli, która spadła po 111 miesiącach, dziewiąta potrzebowała aż 161 miesięcy na oderwanie się, co jest dowodem na wpływ stabilnej, niższej temperatury na reologię substancji. Śledzenie upadku dziewiątej kropli w 2014 roku przyciągnęło uwagę ponad 25 tysięcy osób ze 158 krajów, co świadczy o globalnym zainteresowaniu tym długotrwałym pokazem fizycznym.

Badania nad materią miękką są obecnie bardzo aktywne, co potwierdzają wydarzenia takie jak seminarium „Przyszłość Reologii” zaplanowane na styczeń 2026 roku. Dr Indresh Yadav, badacz materii miękkiej, kontynuuje swoje prace jako adiunkt na IIT-Bhubaneswar i afiliowany pracownik naukowy w MIT, co ilustruje ciągłe zainteresowanie naukowe tą dziedziną. Warto zauważyć, że podobny eksperyment prowadzony jest od 1944 roku na Trinity College w Dublinie, choć tamten przez dekady pozostawał w dużej mierze zapomniany. Badania w reologii wykorzystują zaawansowane urządzenia, takie jak reometry rotacyjne, które pozwalają na pomiar naprężenia lub odkształcenia, co jest kluczowe dla scharakteryzowania właściwości wiskoelastycznych materiałów. Odkrywanie ukrytego rozdziału współczesnej fizyki, dotyczącego równowagi między strukturą a przepływem, jest możliwe dzięki analizie codziennych produktów i trwających stulecie eksperymentów.