Vloeistoffen mengen is eenvoudig, of op zijn minst wetenschappelijk begrepen:een druppel voedselkleuring zal uiteindelijk door diffusie in een kopje water vermengen, en een klodder room kan met een lepel in de koffie worden gemengd door wat turbulent mengen wordt genoemd.

Maar wat als het materiaal de eigenschappen heeft van zowel vloeistoffen als vaste stoffen, wat het geval is voor materialen als beton, verf, en zand? Opbrengstspanningsmaterialen genoemd, deze mengsels kunnen zowel stromen als vloeistoffen en stil blijven als vaste stoffen.

Begrijpen hoe deze materialenmix implicaties heeft in industrieën zoals farmaceutica en betonproductie, maar er is nog weinig bekend over hoe je ze het beste kunt mengen.

In een nieuwe krant in Natuurcommunicatie , Northwestern Engineering-hoogleraren vinden dat het mengen van vloeispanningsmaterialen zowel gemengde als niet-gemengde regio's creëert, een fundamenteel begin om te begrijpen hoe u het beste mengprotocollen kunt ontwerpen. Julio M. Ottino, Paul Umbanhowar, en Richard Lueptow waren de co-auteurs van de krant.

"De theoretische fundamenten van de stroom van korrelige materie zijn nog steeds erg onvolledig, " zei Otto, Walter P. Murphy Hoogleraar chemische en biologische technologie. "We vonden opmerkelijke volharding van de orde te midden van chaos."

De vraag was hoe goed korrelig materiaal gemengd kon worden in een basissysteem:een bolvormige tuimelaar. Zou het materiaal zich vermengen als een vaste stof, door middel van een "knip-en-schud"-methode, vergelijkbaar met een pak kaarten? Of zou het zich vermengen als een stroperige vloeistof, als honing, door een "uitrekken-en-vouwen" patroon?

Om dit idee te testen, de onderzoekers vulden een bolvormige tuimelaar voor de helft met glasparels van 2 millimeter groot. Wanneer gedraaid, de bovenste laag kralen stroomde als een vloeistof naar de bodem van de bol, terwijl de andere kralen op hun plaats bleven, als een vaste stof.

Maar onderzoekers mengden de kralen door de tuimelaar langs verschillende assen te draaien. Om bij te houden hoe goed de kralen gemengd zijn, ze plaatsten een tracerdeeltje van 4 mm erin en voerden de rotaties steeds opnieuw uit, soms tot 500 keer, en nam röntgenfoto's van de bol om te zien waar het tracerdeeltje terechtkwam.

Ondanks het proberen van verschillende rotatieprotocollen, de onderzoekers ontdekten dat er onvermijdelijk regio's waren die zich vermengden en regio's die niet mengden. Dit was het resultaat van het samenspel tussen de twee mengmethoden, knippen-en-schuiven en uitrekken-en-vouwen.

"Hoewel het materiaal op deze snijdende en schuifelende manier vaak in wiggen beweegt, het enige wat die wiggen doen is samen bewegen, " zei Umbanhowar, onderzoekshoogleraar werktuigbouwkunde. "Er zijn regio's die nooit vermengd raken."

Het begrijpen van dit concept kan leiden tot inzichten op interessante en onverwachte plaatsen, zoals de Spaanse Kerstloterij, waar 100, 000 kleine houten balletjes met unieke lotnummers worden in één bol getuimeld, terwijl 1, 807 ballen gelabeld met prijzen worden in een andere getuimeld. Tijdens het tekenen, uit elke bol wordt één prijzenbal en één bijbehorend lotnummer geplukt totdat de bol van de prijzenbal leeg is. Maar als de tuimelaar regio's bevat die gemengd zijn en regio's die dat niet zijn, de eerste plaatsing van de bal in de tuimelaar wordt een buitenmaatse factor in de vraag of deze zal worden gekozen.

"Er is een verwachting van willekeur, maar onze resultaten laten zien dat dit niet het geval is, ' zei Otino.

De onderzoekers hopen toekomstige studies uit te voeren om te laten zien hoe deze informatie op verschillende materialen kan worden toegepast.

"Dit geeft ons een geheel nieuwe tool om te begrijpen wat mengt en wat niet mengt, " Umbanhowar zei. "Deze resultaten kunnen uiteindelijk worden gebruikt als een ontwerptool."