Een team van wiskundigen van de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill en Brown University heeft een nieuw fenomeen ontdekt dat een vloeistofkracht genereert die in staat is om deeltjes te verplaatsen en te binden die zijn ondergedompeld in vloeistoffen met een dichtheidslaag. De doorbraak biedt een alternatief voor eerder aangenomen veronderstellingen over hoe deeltjes zich ophopen in meren en oceanen en zou kunnen leiden tot toepassingen bij het lokaliseren van biologische hotspots, het milieu opruimen en zelfs bij het sorteren en verpakken.

Hoe materie bezinkt en aggregeert onder zwaartekracht in vloeistofsystemen, zoals meren en oceanen, is een breed en belangrijk gebied van wetenschappelijk onderzoek, een die grote invloed heeft op de mensheid en de planeet. Overweeg "zeesneeuw, " de stortvloed van organisch materiaal dat constant uit de bovenste wateren naar de diepe oceaan valt. Niet alleen is voedselrijke zeesneeuw essentieel voor de wereldwijde voedselketen, maar zijn ophopingen in de zilte diepte vertegenwoordigen de grootste koolstofput van de aarde en een van de minst begrepen componenten van de koolstofcyclus van de planeet. Er is ook een groeiende bezorgdheid over microplastics die rondwervelen in oceaanstromingen.

De accumulatie van oceaandeeltjes wordt al lang gezien als het resultaat van toevallige botsingen en adhesie. Maar er is een heel ander en onverwacht fenomeen aan het werk in de waterkolom, volgens een paper gepubliceerd op 20 december in Natuurcommunicatie door een team onder leiding van professoren Richard McLaughlin en Roberto Camassa van het Carolina Center for Interdisciplinary Applied Mathematics in het College of Arts &Sciences, samen met hun UNC-Chapel Hill-afgestudeerde student Robert Hunt en Dan Harris van de School of Engineering aan de Brown University.

In de krant, de onderzoekers tonen aan dat deeltjes gesuspendeerd in vloeistoffen van verschillende dichtheden, zoals zeewater met verschillende zoutlagen, twee eerder onontdekte gedragingen vertonen. Eerst, de deeltjes zelf-assembleren zonder elektrostatische of magnetische aantrekking of, in het geval van micro-organismen, zonder voortstuwingsapparatuur zoals het verslaan van flagella of trilhaartjes. Tweede, ze klonteren samen zonder dat er lijm of andere hechtkrachten nodig zijn. Hoe groter het cluster, hoe sterker de aantrekkingskracht.

Zoals zoveel ontdekkingen, deze begon per ongeluk, een paar jaar geleden, tijdens een demonstratie voor VIP's die het Joint Applied Mathematics and Marine Sciences Fluids Lab bezoeken dat Camassa en McLaughlin runnen. Het paar, lang gefascineerd door gelaagde vloeistoffen, bedoeld om een ​​favoriete salontruc te laten zien - hoe bollen die in een tank met zout water worden gedumpt, zullen "stuiteren" op weg naar de bodem, zolang de vloeistof uniform is gestratificeerd naar dichtheid. Maar de afgestudeerde student die de leiding had over het experiment maakte een fout bij het instellen van de dichtheid van de lagere vloeistof. De bollen stuiterden en bleven daar hangen, ondergedompeld maar niet naar de bodem zinkend.

"En toen nam ik wat een goede beslissing was, " zei McLaughlin, "om de rommel niet op te ruimen." Ga naar huis, vertelde hij de afgestudeerde student. We zullen, ga er later mee om. De volgende ochtend, de ballen waren nog steeds geschorst, maar ze waren begonnen samen te klonteren - om zichzelf te verzamelen zonder duidelijke reden.

De onderzoekers ontdekten uiteindelijk de reden, hoewel het meer dan twee jaar aan experimentele onderzoeken en veel wiskunde kostte.

Je kunt het fenomeen aan het werk zien in een video die de onderzoekers maakten. Plastic microbolletjes die in een bak met zout water worden gedropt met daarop minder dicht zoet water, worden door de zwaartekracht naar beneden getrokken en door het drijfvermogen omhoog gestuwd. Terwijl ze hangen, het samenspel tussen drijfvermogen en diffusie - handelend om de concentratiegradiënt van zout in evenwicht te brengen - creëert stromen rond de microkralen, waardoor ze langzaam bewegen. In plaats van willekeurig te bewegen, echter, ze klonteren samen, het oplossen van hun eigen legpuzzels. Naarmate de clusters groeien, de vloeistofkracht neemt toe.

"Het is bijna alsof we een effectieve nieuwe kracht hebben ontdekt, ' zei Camassa.

De ontdekking van dit voorheen onbekende mechanisme van het eerste principe opent de deuren naar begrip voor hoe materie zich in de omgeving organiseert. In sterk gelaagde wateren, zoals estuaria en de diepe oceaan, door het fenomeen wiskundig te begrijpen, kunnen wetenschappers de locatie van biologische hotspots modelleren en voorspellen, met inbegrip van voedingsbodems voor commerciële vissen of bedreigde diersoorten. Het benutten van de kracht van het fenomeen kan ook leiden tot betere manieren om microplastics in de oceaan of zelfs aardolie uit diepzeeolielozingen te lokaliseren. Of, in een industriële versie van het Fluids Lab-experiment, het mechanisme kan worden gebruikt om materialen van verschillende dichtheden te sorteren, bijvoorbeeld verschillende kleuren gebroken recyclebaar glas.

"We werken al jaren met gelaagde systemen, meestal kijkend naar hoe dingen er doorheen vallen, " zei McLaughlin. "Dit is een van de meest opwindende dingen die ik in mijn carrière ben tegengekomen."