Het begrijpen van de dynamiek van korrelige materialen - zoals zand dat door een zandloper stroomt of zout dat door een shaker stroomt - is een groot onopgelost probleem in de natuurkunde. Een nieuw artikel beschrijft een patroon voor hoe "schudden" van recordformaat de dynamiek van een korrelig materiaal beïnvloeden terwijl het van een opgewonden naar een ontspannen toestand beweegt, toevoegen aan het bewijs dat een verenigende theorie ten grondslag ligt aan dit gedrag.

De Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) publiceerde het werk van Stefan Boettcher, een Emory theoretisch fysicus, en Paula Gago, een expert in het modelleren van de statistische mechanica van korrelige materie in het Department of Earth Science and Engineering aan het Imperial College of London.

"Ons werk markeert weer een kleine stap voorwaarts om het gedrag van korrelige materialen op een uniforme manier te beschrijven, " zegt Boettcher, professor en voorzitter van Emory's Department of Physics.

"Een volledig begrip van granulaire materialen kan een enorme impact hebben op een reeks industrieën, " voegt hij eraan toe. "Om maar een paar voorbeelden te noemen, het is relevant voor de verdichting van korrels tot pellets om pillen te maken, de verwerking van granen in de landbouw en het voorspellen van het gedrag van alle soorten geofysische materie die betrokken zijn bij civiele techniek."

Granulaire materialen zijn ongeordende systemen die vaak worden aangetroffen in een toestand die verre van evenwicht is. Voorbeelden zijn alles van zand, rijst en koffiedik tot kogellagers.

"Het zijn een soort 'vreemde ballen' van materie omdat ze zich anders gedragen dan vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, ' zegt Boettcher.

Terwijl de fasen van water, bijvoorbeeld, kan gemakkelijk worden omschreven als een vloeistof, vast of gas, afhankelijk van specifieke temperaturen, de thermodynamica van niet-evenwichtssystemen zijn niet goed gedefinieerd. Een belangrijke complicatie is het feit dat individuele deeltjes in de meeste korrelige materialen verschillende, verschillende eigenschappen en oefenen wrijvingskrachten op elkaar uit. En veranderingen in temperatuur veroorzaken geen significante beweging in hen. Zwaartekracht compliceert verder het gedrag van korrelige materialen, omdat het de dichtheid van verschillende lagen in een systeem van deeltjes beïnvloedt.

In 1997, onderzoekers ontwikkelden een manier om korrelige materialen op een beheersbare manier te schudden voor een reeks experimenten op wat bekend staat als de 'Chicago-stapel'. Ze vulden een glazen beker met glasparels ter grootte van een micron en "tikten" het materiaal met een bepaalde amplitude naar boven. Vervolgens konden ze de resulterende dichtheid van het materiaal in de beker meten als functie van de sterkte van de kranen, of de energie die door het systeem pulseert.

Boettcher en zijn medewerker wilden door middel van analyse van computersimulaties inzicht krijgen op moleculair niveau in de verdichtingsdynamiek van een korrelige stapel. Ze waren vooral geïnteresseerd in het vergelijken van de dichtheid van een korrelige stapel in zowel een opgewonden als een ontspannen toestand om patronen te zoeken.

Geïnspireerd door de Chicago-paalexperimenten, deden de onderzoekers computersimulaties op basis van 60, 000 bollen, van 1 tot 1,02 micrometer in diameter, in een verticale cilinder met een diameter van 2,4 centimeter. De cilinder wordt afgetapt door middel van energiepulsen die zijn afgestemd op nauwkeurige amplitudes. De technologie stelt de onderzoekers in staat om de dichtheid van de stapel lokaal en wereldwijd te meten door het verschuivende aantal naburige deeltjes te volgen dat elk afzonderlijk deeltje aanraakt.

De simulaties toonden aan dat wanneer een reeks tikken precies even sterk is, de dichtheid van de stapel neemt steeds langzamer toe, of logaritmisch. Naarmate de kranen in de loop van de tijd doorgaan, steeds groter, verschuivingen van recordformaat in de rangschikking van de korrels zijn vereist om de dichtheid van de stapel te vergroten. Deze schommelingen van recordformaat worden steeds moeilijker te realiseren, de langzame winst in dichtheid verklaren.

"Je kunt het zien als een beker gevuld met los zand, " legt Boettcher uit. "In het begin zitten er grote gaten tussen de korrels. Dus aanvankelijk het is gemakkelijk voor een graan om van positie te veranderen door in een lege ruimte te vallen. Maar naarmate deze ruimtes kleiner worden, het wordt minder waarschijnlijk dat een korrel er doorheen kan vallen. Terwijl de kranen doorgaan, er zijn steeds meer coöperatieve evenementen nodig om de ruimte te creëren die nodig is voor meer verdichting."

Eerder onderzoek heeft een vergelijkbaar statistisch patroon aangetoond voor het gedrag van amorfe vaste stoffen die geen geordende kristallen vormen wanneer ze van een vloeibare naar een vaste toestand gaan, zoals glas en veel polymeren.

"Dat suggereert dat dit patroon een stukje van de puzzel kan zijn bij het vinden van een systematische manier om materialen te beschrijven die uit evenwicht zijn, ' zegt Boettcher.

De onderzoekers duiken nu dieper in de vraag of de kinetische energie van de kranen equivalent kan zijn aan de manier waarop temperatuur wordt gebruikt om materialen te beschrijven in de klassieke natuurkunde.