Natuurkundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hebben bewezen dat willekeurige pakkingen van schijven van dezelfde grootte tussen parallelle wanden altijd een periodieke structuur vormen, ongeacht de breedte van de container. De resultaten, die wetenschappers zou moeten helpen de verpakkingseigenschappen van microdeeltjes beter te begrijpen, zijn nu gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Al eeuwenlang vragen mensen zich af welke patronen moeten worden gebruikt om objecten met de hoogste dichtheid in containers te verpakken. Al in 1611, Johannes Kepler suggereerde dat geen enkele rangschikking van bollen van dezelfde grootte een grotere dichtheid had dan offsetlagen in hexagonale roosters. Terwijl verpakkingen van bollen die willekeurig in een doos worden gegoten een gemiddelde dichtheid hebben van ongeveer 65 procent, een dichtheid van ongeveer 74 procent kan worden bereikt met de periodieke structuur van hexagonale pakking. De theorie van Kepler werd uiteindelijk in 2014 bewezen met behulp van complexe computersimulaties.

In samenwerking met collega's uit Brazilië en de VS, natuurkundigen van de FAU hebben nu ontdekt dat wanneer bollen willekeurig in een container worden gegoten, ze vormen altijd een periodieke structuur. Ze konden dit bevestigen met tweedimensionale experimenten. In een reeks computersimulaties, de onderzoekers goten tot 10 miljoen schijven van dezelfde grootte vanuit verschillende posities in een open rechthoekige container. De onderzoekers waren verbaasd toen ze ontdekten dat zich tijdens elk van de simulaties een periodieke structuur vormde. "In ons geval, periodiek betekent dat er voor elk deeltje equivalenten zijn die met regelmatige tussenpozen op dezelfde positie op de x-as worden herhaald, " legt prof. dr. Thorsten Pöschel van het Institute for Multiscale Simulation of Particulate Systems bij FAU uit. Het patroon van schijven en holtes dat zich vormt, gaat op een uniforme manier omhoog met gemiddeld vier contacten per schijf.

Echter, deze periodieke patronen vormen zich niet onmiddellijk. aanvankelijk, er is een wanordelijke fase die vooral wordt gekenmerkt door grotere ruimtes of door clusters van schijven met meer of minder dan vier contacten. Hoewel het vulniveau waarbij de schijven een periodieke structuur vormen sterk kan variëren tussen containers van dezelfde breedte, dit gemiddelde niveau neemt toe naarmate de afstand tussen de wanden van de container groter wordt. Of, met andere woorden, hoe breder het kanaal, hoe meer lagen er moeten worden gegoten totdat de schijven periodieke patronen vormen. Dit komt omdat er meer manieren zijn waarop de schijven zichzelf in ongeordende posities kunnen rangschikken aan het begin van het vulproces, en dit gaat in beduidend meer lagen omhoog dan in smalle containers. Maar ongeacht de breedte van de container, de onderzoekers konden aantonen dat de kans dat een kanaal nog niet periodiek is exponentieel afneemt met toenemende vulgraad.

De bevindingen zouden moeten helpen om het begrip van de pakkingseigenschappen van monodisperse en polydisperse microdeeltjes te vergroten. Het zo dicht mogelijk oppakken van deeltjes is de sleutel tot verschillende praktische toepassingen, bijvoorbeeld, voor het minimaliseren van materiaalporositeit tijdens 3D-printprocessen en andere methoden van additive manufacturing, waardoor de sterkte van nieuwe materialen wordt vergroot.

De resultaten van het project zijn nu gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , getiteld "Systematisch begin van periodieke patronen in willekeurige schijfverpakkingen."