De stroom van korrelige materialen, zoals zand en katalytische deeltjes die worden gebruikt in chemische reactoren, verklaart een breed scala aan natuurlijke fenomenen, van modderstromen tot vulkanen, en maakt een breed scala aan industriële processen mogelijk, van farmaceutische productie tot koolstofafvang. Terwijl de beweging en vermenging van korrelige materie vaak opvallende overeenkomsten vertonen met vloeistoffen, zoals in bewegende zandduinen, lawines, en drijfzand, de fysica die ten grondslag ligt aan granulaire stromen is niet zo goed begrepen als vloeistofstromen.

Nutsvoorzieningen, een recente ontdekking door Chris Boyce, assistent-professor chemische technologie aan Columbia Engineering, verklaart een nieuwe familie van zwaartekrachtinstabiliteiten in korrelvormige deeltjes van verschillende dichtheden die worden aangedreven door een gaskanaalmechanisme dat niet wordt gezien in vloeistoffen. In samenwerking met de groep Energy and Engineering Science Professor Christoph Müller aan de ETH Zürich, Boyce's team observeerde een onverwachte Rayleigh-Taylor (R-T)-achtige instabiliteit waarbij lichtere korrels door zwaardere korrels opstijgen in de vorm van "vingers" en "korrelige bellen". RT-instabiliteiten, die worden geproduceerd door de interactie van twee vloeistoffen van verschillende dichtheden die niet mengen - olie en water, bijvoorbeeld - omdat de lichtere vloeistof de zwaardere opzij duwt, zijn niet waargenomen tussen twee droge korrelige materialen.

De studie, vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , is de eerste die aantoont dat "bellen" van lichter zand zich vormen en opstijgen door zwaarder zand wanneer de twee soorten zand onderhevig zijn aan verticale trillingen en opwaartse gasstroom, vergelijkbaar met de bellen die zich vormen en opstijgen in lavalampen. Het team vond dat net zoals lucht- en oliebellen in water opstijgen omdat ze lichter zijn dan water en er niet mee willen vermengen, bellen van licht zand stijgen op door zwaarder zand, ook al mengen twee soorten zand zich graag.

"We denken dat onze ontdekking transformerend is, " zegt Boyce "We hebben een granulair analoog gevonden van een van de laatste grote vloeistofmechanische instabiliteiten. Terwijl analogen van de andere grote instabiliteiten zijn ontdekt in granulaire stromen in de afgelopen decennia, de RT-instabiliteit is directe vergelijking ontgaan. Onze bevindingen kunnen niet alleen geologische formaties en processen verklaren die ten grondslag liggen aan minerale afzettingen, maar kan ook worden gebruikt in poederverwerkingstechnologieën in de energie, bouw, en farmaceutische industrie."

Boyce's groep gebruikte experimentele en computationele modellering om aan te tonen dat het kanaliseren van gas door lichtere deeltjes de vorming van vinger- en bellenpatronen veroorzaakt. De gaskanalisatie vindt plaats omdat de clusters van lichtere, grotere deeltjes hebben een hogere doorlaatbaarheid voor gasstroom dan de zwaardere, kleinere korrels. De R-T-achtige instabiliteit in korrelige materialen komt voort uit een competitie tussen opwaartse sleepkracht die lokaal wordt verhoogd door gaskanalisatie en neerwaartse contactkrachten, een fysiek mechanisme dat heel anders is dan dat in vloeistoffen.

Ze ontdekten dat dit mechanisme voor het kanaliseren van gas ook andere zwaartekrachtinstabiliteiten genereert, inclusief de trapsgewijze vertakking van een dalende korrelige druppel. Ze toonden ook aan dat de R-T-achtige instabiliteit kan optreden onder een breed scala aan gasstroom- en trillingsomstandigheden, vormen verschillende structuren onder verschillende excitatieomstandigheden.

"Deze instabiliteiten, die op verschillende systemen kan worden toegepast, nieuw licht werpen op granulaire dynamiek en nieuwe mogelijkheden suggereren voor patroonvorming binnen granulaire mengsels om nieuwe producten te vormen in de farmaceutische industrie, bijvoorbeeld, " Boyce voegt toe. "We zijn vooral enthousiast over de mogelijke impact van onze bevindingen op de geologische wetenschappen - deze instabiliteiten kunnen ons helpen begrijpen hoe structuren zich in de lange geschiedenis van de aarde hebben gevormd en voorspellen hoe andere zich in de toekomst kunnen vormen."

Boyce onderzoekt nu andere vloeistofachtige en gestructureerde fenomenen in zanddeeltjes en kwantificeert hun gedrag. Hij is ook in gesprek met geologen en vulkanologen om meer te weten te komen over hoe dit proces en soortgelijke processen in de natuurlijke wereld plaatsvinden.