Zand is een fascinerend materiaal. Het kan stromen en worden gegoten als een vloeistof, maar behoudt veel van de eigenschappen van vaste stoffen, verstopping van leidingen of vorming van zandduinen. Het gedrag van verzamelingen kleine deeltjes zoals zand staat bekend als korrelfysica, en is een enorm belangrijk gebied voor de behandeling en het transport van het brede scala aan korrelige materialen die er zijn, zoals granen, rijst, poeders en de enorme hoeveelheden zand die in de bouw worden gebruikt.

Een belangrijk raadsel van deze tak van de natuurkunde zijn de enorme aantallen. Granen interageren via eenvoudige, Newtoniaanse mechanica, maar omdat zoveel deeltjes tegelijk op elkaar inwerken, er is een opkomende complexiteit van stromingsgedrag die nog niet kan worden verklaard door eenvoudige vergelijkingen. Wetenschappers zijn dus niet alleen op zoek naar betere theoretische modellen om granulair gedrag te verklaren, maar handige "modelsystemen" die in het laboratorium kunnen worden gehanteerd en afgesteld om inzicht te geven in hoe de microscopische structuur van korrelige materialen aanleiding geeft tot hun macroscopische eigenschappen.

Een team onder leiding van assistent-professor Marie Tani en professor Rei Kurita van de Tokyo Metropolitan University heeft de eigenschappen bestudeerd van mengsels van met siliconen gecoat "magisch zand, "een populair kinderspeelgoed, en normaal zand. Met siliconen gecoate zanddeeltjes bleken alleen met elkaar te interageren en niet met andere zanddeeltjes. Het team ontdekte dat het toevoegen van met siliconen gecoat zand boven een bepaalde drempel leidt tot een abrupte verandering in clustering en stijfheid, een mogelijke manier om de stroom van korrelige materialen voor de industrie af te stemmen.

De onderzoekers hebben onderzocht wat er met zand gebeurt als het nat wordt. Het is bekend dat strandzand, bijvoorbeeld, gedraagt ​​zich totaal anders; zandkastelen zijn lastig te bouwen als het zand droog is. Dit gedrag is grotendeels te wijten aan de vorming van "bruggen" van vloeistof tussen deeltjes, bekend als capillaire bruggen, sterk binden van korrels om dragende structuren te vormen. Echter, homogeen nat zand is notoir moeilijk te bereiden in het laboratorium; het is moeilijk om gelijkmatig te mengen en droogt zeer snel.

Om dit probleem op te lossen, gebruikten de onderzoekers "magisch zand, " hydrofobe zanddeeltjes gecoat in siliconenolie, algemeen verkrijgbaar in kinderspeelgoed. Het team ontdekte dat niet alleen "magisch zand"-korrels elkaar sterk aantrekken via dunne oliestrengen, maar het heeft geen interactie met normaal zand, gewoon tegen het lijf lopen als droge korrels. Door "magisch zand" en normaal zand in verschillende verhoudingen te mengen, het team kon vrijelijk bestuderen hoe nat zand zich gedraagt ​​tot in de kleinste vloeibare fracties, waar slechts enkele korrels via capillaire bruggen met elkaar zijn verbonden.

Met behulp van drie onafhankelijke methoden met betrekking tot zeven, het meten van de dichtheid en het vormen van stabiele zandheuvels, ze ontdekten dat de mechanische eigenschappen van het mengsel drastisch veranderen wanneer de fractie magisch zand tot normaal zand meer dan 20% bedraagt. Dit kwam overeen met bevindingen uit de percolatietheorie, die bepaalt hoe verbindingen tussen deeltjes de ruimte overspannen zonder enige breuk, het zandmengsel zich duidelijk steviger laten gedragen en zijn eigen gewicht laten dragen. Dit gedrag is bekend voor polymeergels, en helpt bij het verenigen van theoretische benaderingen die worden toegepast op totaal verschillende materialen.

De mengsels van het team vertonen ook mechanische eigenschappen die gemakkelijk kunnen worden gewijzigd. belangrijk, de methode biedt een nieuwe, handig, nauwkeurige en informatieve manier om granulaire fysica te verkennen, en kan de nieuwe standaard worden voor wetenschappers in toekomstige onderzoeken.