Door een buis in een met water gevulde bak te dompelen, zal het water in de buis stijgen. Dit fenomeen wordt vloeibare capillariteit genoemd. Het is verantwoordelijk voor veel natuurlijke en technische processen, bijvoorbeeld de wateropname van bomen, inkt stijgt in een vulpen, en sponzen die afwaswater absorberen. Maar wat gebeurt er als de buis in een bak wordt gedompeld die niet met water maar met zand is gevuld? Het antwoord is:niets. Echter, als de buis op en neer wordt geschud, het zand zal ook beginnen te stijgen. Wetenschappers hebben nu het mechanisme achter dit effect ontdekt, het zogenaamde granulaire capillaire effect.

Dr. Eric J.R. Parteli van de afdeling Geowetenschappen van de Universiteit van Keulen, Professor Fengxian Fan van de Universiteit van Shanghai voor Wetenschap en Technologie, en professor Thorsten Pöschel van de Friedrich-Alexander Universiteit Erlangen-Nürnberg hebben nu de resultaten van hun studie 'Origin of Granular Capillarity Revealed by Particle-Based Simulations' gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Vloeistofcapillariteit is het resultaat van het samenspel van verschillende moleculaire krachten:de aantrekkingskracht tussen de vloeibare moleculen houdt het bij elkaar, terwijl de aantrekkingskracht tussen moleculen en buis de vloeistof omhoog drijft. Deze verklaring sluit het optreden van capillariteit voor zand uit, omdat zandkorrels zoveel groter zijn dan hun samenstellende moleculen dat intermoleculaire krachten veilig kunnen worden verwaarloosd in vergelijking met zwaartekracht en korreltraagheid. Echter, verrassend genoeg, korrelige capillariteit is waargenomen in laboratoriumexperimenten waarbij het korrelige materiaal werd onderworpen aan een kleine verticale trilling van enkele korreldiameters in amplitude en een frequentie van slechts enkele Hertz. De oorsprong van dit korrelige capillaire effect was een al lang bestaand mysterie dat het internationale team van wetenschappers weet te onthullen.

Ze onderzochten het probleem met behulp van een op deeltjes gebaseerde numerieke simulatiemethode genaamd Discrete Element Method. Bij deze methode, het traject van elke afzonderlijke korrel wordt berekend door Newtons vergelijkingen van translatie- en rotatiebeweging numeriek op te lossen als gevolg van de krachten die op elke korrel werken. Door middel van een dergelijk numeriek experiment, het is dus mogelijk om het traject en de snelheid van alle korrels te volgen, inclusief die korrels die diep in de korrelige bulk zitten, die in het laboratorium moeilijk te beoordelen zijn.

Het onderzoeksteam observeerde in hun simulaties dat wat de zandkolom in de buis doet stijgen, een convectieve beweging van de zandkorrels in de ontvanger is die inherent is aan korrelige materialen onder verticale trillingen. Deze convectieve flux veroorzaakt lateraal massatransport binnen de trillende granulaire pakking, wat leidt tot een opwaartse druk op de basis van de korrelkolom in de buis, daarom stijgt de kolom. De wetenschappers ontdekten dat hoe snel en ver de kolom stijgt, afhangt van de buisgrootte. Opmerkelijk, de simulaties toonden aan dat de hoogte van de granulaire meniscus (de capillaire hoogte die de granulaire kolom bereikt na een lange tijd) evenredig is met het omgekeerde van de buismaat. Dit is precies hetzelfde gedrag als voor vloeistofcapillariteit, hoewel de drijvende krachten in de twee systemen zo verschillend zijn.

De natuurkundigen toonden in hun onderzoek aan dat hetzelfde capillaire effect kan worden bereikt door de buis te schudden in plaats van de container, wat veelbelovende toepassingen opent in de handling- en transportsector. Bijvoorbeeld, deeltjes konden uit zeer grote containers worden opgepompt door alleen korrelige capillariteit te gebruiken. Ze bestuderen het proces nu dieper om het effect van systeem- en deeltjesgeometrie te begrijpen.