Het gebeurt elke keer als het regent buiten je raam:de grond wordt nat en kan plakkerige modder vormen. Dan droogt het. Later kan het weer gaan regenen. Elke bevochtiging en herbevochtiging beïnvloedt de structuur en stabiliteit van de bodem. Met deze wijzigingen wordt rekening gehouden wanneer, bijvoorbeeld, architecten en ingenieurs ontwerpen, plaats, en gebouwen te bouwen. Maar breder, de wetenschap van hoe deeltjes aan elkaar kleven en vervolgens uit elkaar trekken, raakt velden die zo divers zijn als natuurlijke gevaren, gewasbemesting, cementproductie, en farmaceutisch ontwerp.

Door deze ongelijksoortige velden te verenigen, een team van de Universiteit van Pennsylvania heeft ontdekt dat wanneer deeltjes nat zijn en vervolgens mogen drogen, de grootte van die deeltjes heeft veel te maken met hoe sterk ze aan elkaar plakken - en of ze bij elkaar blijven of uit elkaar vallen de volgende keer dat ze nat worden.

Wat geeft deze kleverige aggregaten kracht, het team vond, zijn dunne bruggen die worden gevormd wanneer deeltjes van het materiaal in een vloeistof worden gesuspendeerd en vervolgens worden gedroogd, dunne strengen deeltjes achterlatend die grotere klonten verbinden. de strengen, die de onderzoekers solide bruggen noemen, de stabiliteit van de aggregaten 10- tot 100-voudig verhogen.

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Dit solide overbruggingsfenomeen kan alomtegenwoordig zijn en belangrijk voor het begrijpen van de sterkte en erodibiliteit van natuurlijke bodems, " zegt Paulo Arratia, een vloeistofmechanica-ingenieur in Penn's School of Engineering and Applied Science, en een co-auteur van de studie.

"We ontdekten dat de grootte van een deeltje groter kan zijn dan de bijdrage van zijn chemische eigenschappen als het gaat om te bepalen hoe sterk het aan andere deeltjes kleeft, " voegt Douglas Jerolmack toe, een geofysicus in de School of Arts and Sciences en de corresponderende auteur van het artikel.

Het onderzoeksteam werd geleid door Ali Seiphoori, voorheen een postdoc in het lab van Jerolmack en nu aan het MIT, en inclusief natuurkunde postdoc Xiao-guang Ma. Het huidige werk is voortgekomen uit onderzoeken die ze hadden uitgevoerd in samenwerking met Penn's Perelman School of Medicine over asbest, specifiek hoe de naaldachtige vezels aan elkaar en aan andere materialen kleven om aggregaten te vormen. Dat zette hen meer in het algemeen aan het denken over wat de sterkte en stabiliteit van een aggregaat bepaalt.

De groep nam een ​​experimentele benadering om deze vraag te beantwoorden door een eenvoudig model van deeltjesaggregatie te creëren. Ze hingen glazen bollen van twee maten, 3 micron en 20 micron, in een druppel water. (Als referentie, een mensenhaar is ongeveer 50 tot 100 micron breed.) Terwijl het water verdampte, de randen van de druppel trokken zich terug, de deeltjes naar binnen slepen. Uiteindelijk veranderde de krimpende waterdruppel in meerdere kleinere druppeltjes verbonden door een dunne waterbrug, bekend als een capillaire brug, daarvoor ook verdampt.

Het team ontdekte dat de extreme zuigdrukken veroorzaakt door verdamping de kleine deeltjes zo dicht bij elkaar trokken dat ze samensmolten in de capillaire bruggen. vaste bruggen achterlatend tussen de grotere deeltjes, waaraan zij ook gebonden waren, zodra het water volledig is verdampt.

Wanneer het team de deeltjes opnieuw bevochtigt, het toepassen van water in een gecontroleerde stroom, ze ontdekten dat aggregaten die uitsluitend uit de deeltjes van 20 micron bestonden veel gemakkelijker konden worden afgebroken en opnieuw gesuspendeerd dan die bestaande uit de kleinere deeltjes, of mengsels van kleine en grotere deeltjes.

"We ontdekten dat als aggregaten die alleen uit deeltjes groter dan 5 micron bestonden, opnieuw werden bevochtigd, zij stortten in, " zegt Jerolmack. "Maar onder de 5 micron, niks gebeurt, de aggregaten waren stabiel."

In verdere tests met mengsels van deeltjes van vier verschillende groottes - die de natuurlijke bodemsamenstelling beter nabootsten - vonden de onderzoekers hetzelfde overbruggingseffect op verschillende schalen:de grootste deeltjes werden overbrugd door de op een na grootste, die op hun beurt werden overbrugd door de op twee na grootste, die zelf werden gestabiliseerd door bruggen van de kleinste deeltjes. Zelfs mengsels die slechts een kleine fractie kleinere deeltjes bevatten, werden stabieler dankzij vaste overbrugging.

Hoeveel stabieler? Er achter komen, Seiphoori lijmde nauwgezet de sonde van een atoomkrachtmicroscoop op een enkel deeltje, laat het instellen, en kwantificeerde vervolgens de "aftrekkracht" die nodig is om dat deeltje uit het aggregaat te verwijderen. Dit herhalen voor deeltjes in aggregaten van zowel grote als kleine deeltjes, ze ontdekten dat deeltjes 10 tot 100 keer moeilijker te verwijderen waren als ze een solide brugstructuur hadden gevormd dan in andere configuraties.

Om zichzelf ervan te overtuigen dat hetzelfde zou gelden voor materialen naast hun experimentele glaskralen, ze voerden vergelijkbare experimenten uit met twee soorten klei die beide veel voorkomende componenten van natuurlijke bodems zijn. De principes hielden stand:de kleinere kleideeltjes en de aanwezigheid van vaste bruggen maakten aggregaten stabiel. En het omgekeerde was ook waar:wanneer kleideeltjes kleiner dan 5 micron uit de suspensies werden verwijderd, hun resulterende aggregaten verloren cohesie.

"Kleigronden worden beschouwd als fundamenteel samenhangend, " zegt Jerolmac, "en die samenhang wordt meestal toegeschreven aan hun lading of een andere mineralogische eigenschap. Maar we ontdekten dit zeer verrassende ding dat het niet de fundamentele eigenschappen van klei lijken te zijn die het plakkerig maken, maar eerder het feit dat kleideeltjes vaak erg klein zijn. Het is een gloednieuwe verklaring voor cohesie."

Deze nieuwe inzichten over de bijdrage van deeltjesgrootte aan de stabiliteit van aggregaten openen nieuwe mogelijkheden om te overwegen hoe de stabiliteit van materialen zoals grond of cement indien gewenst kan worden verbeterd. "Je zou je kunnen voorstellen om de grond vóór een bouwproject te stabiliseren door kleinere deeltjes toe te voegen die helpen de grond samen te binden, ' zegt Jerolmac.

In aanvulling, de productie van verschillende materialen, van medische apparaten tot LED-schermcoatings, vertrouwt op dunnefilmafzetting, waarvan de onderzoekers zeggen dat ze baat kunnen hebben bij de gecontroleerde productie van aggregaten die ze in hun experimenten hebben waargenomen.