Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben belangrijke overeenkomsten geïdentificeerd tussen het gedrag van korrelige materialen en smeltende gels. Ze ontdekten dat vallende zandbedden hetzelfde destabilisatiemechanisme delen als smeltende gelatine omdat het van onderaf wordt verwarmd, met name hoe belangrijke parameters schalen met de dikte van het gefluïdiseerde gebied. Hun bevindingen, gepubliceerd in Scientific Reports , bieden belangrijke inzichten in ons begrip van destabilisatie onder zwaartekracht, zoals te zien is in lawines, aardverschuivingen en industriële transportprocessen.

Zand en gelei lijken misschien niet veel op elkaar, maar ze hebben vergelijkbare fysieke eigenschappen. Zand bestaat uit miljarden korrels vast materiaal, die als een vloeistof kunnen stromen en leidingen als een vaste stof kunnen verstoppen. Materialen zoals gelatine-oplossingen gieten als een vloeistof bij hoge temperatuur, maar krijgen plotseling vaste eigenschappen als ze worden afgekoeld. Kijkend naar de microscopische details, is het duidelijk dat de stevigheid van gels wordt ondersteund door netwerken van polymeer of eiwit die een materiaal doorkruisen; dit is vergelijkbaar met hoe "krachtketens", netwerken van korrels die op elkaar duwen, aanleiding geven tot de schijnbare stevigheid van zand. Deze fascinerende kruising van vast en vloeistofachtig gedrag vormt de ruggengraat van veel natuurlijke fenomenen, zoals lawines en aardverschuivingen, maar wordt nog steeds slecht begrepen.

Deze overeenkomsten inspireerden Dr. Kazuya Kobayashi en professor Rei Kurita van de Tokyo Metropolitan University om fysieke gels en zandbedden direct te vergelijken terwijl ze fluïdiseren. Ze observeerden de fluïdisatie van dunne bedden van zand en gelatine-oplossingen met behulp van hogesnelheidscamera's. Voor zand werden voorgevormde bedden van korrels in lucht of water omgekeerd en waargenomen als de basis eruit begint te vallen. Voor gelatine werden twee lagen met verschillende concentraties gelatine bereid, de een op de ander. De concentraties werden zo gekozen dat de onderste laag eerst volledig zou fluïdiseren. Als het materiaal van onderaf wordt verwarmd, zou de bovenste laag destabiliseren en beginnen te vallen.

In beide systemen vond het team vingerinstabiliteiten, waarbij dunne vingers van materiaal in het materiaal (of lucht/water) eronder vallen, wat lijkt op regendruppels die door een raam vallen. Na verloop van tijd zouden er nieuwe vingers verschijnen tussen bestaande vingers en zou het grensvlak tussen de vloeibare en vaste delen verdwijnen. Door een speciale beeldvormingstechniek te gebruiken, was het team ook in staat om een ​​"gefluïdiseerd" interfacegebied te identificeren boven waar de vingers daadwerkelijk beginnen. De dikte van dit gebied bleek sterk gecorreleerd te zijn met belangrijke parameters zoals de snelheid waarmee het front zich terugtrekt en de afstand tussen de vingers. Dit soort relatie wordt een "schaal"-relatie genoemd en is belangrijk in de natuurkunde voor het verbinden van verschijnselen die in eerste instantie anders lijken, maar via hun mechanismen op een dieper niveau gerelateerd kunnen zijn. In dit geval is dit een sterk bewijs voor hoe de overeenkomsten tussen de materialen, d.w.z. de connectiviteit van een krachtdragend netwerk, ten grondslag liggen aan hun macroscopische fysieke gedrag.

Door hun uitgebreide experimenten biedt het werk van het team waardevolle inzichten in hoe korrelige materialen en gels destabiliseren onder zwaartekracht, met implicaties voor zowel fluïdisatieverschijnselen in de natuur als het ontwerp van transportsystemen voor korrelige materialen op industriële schaal. + Verder verkennen

'Magisch zand' kan ons helpen de fysica van korrelige materie te begrijpen