Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Ons begrip van granulaire systemen opnieuw vormgeven

(A –D ) Tijdsgemiddelde oppervlaktenormale ("verticale") snelheden voor grote en kleine soorten en momentane momentopnamen van deeltjesposities van een mengsel van (A ) bollen van verschillende groottes met een volumeverhouding van Vb /Vs =3; (B ) grote kubussen en kleine bollen met een volumeverhouding van V□ /V° =3; (C ) kubussen van verschillende groottes met een volumeverhouding van Vgroot /Vklein =3; en (D ) grote bollen en kleine kubussen met een volumeverhouding van V° /V□ =3. (E ) Anisotropie als functie van de volumeverhouding. Inzet :Gemiddeld contactaantal per deeltje Z als functie van de volumeverhouding. Credit:Proceedings van de National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2307061121

Onderzoekers uit Rochester ontdekken de onverwachte rol van de korrelvorm bij het mengen van granulaire systemen zoals farmaceutische producten, granen en aardverschuivingen.

Je ontbijtgranen, een pot noten, het zand van verre planeten en zelfs het beton in je stad zijn allemaal voorbeelden van korrelige systemen om ons heen. En dergelijke systemen herbergen geheimen die de manier waarop we zaken door elkaar halen, kunnen veranderen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences , wetenschappers aan de Universiteit van Rochester, waaronder Rachel Glade, een assistent-professor in aard- en milieuwetenschappen en werktuigbouwkunde; Fernando David Cúñez, een voormalig postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Glade en nu een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan het Rochester Institute of Technology; en Div Patel bestudeerden korrelige materialen en ontdekten de onverwachte rol die korrelvorm speelt in het gedrag van korrelige systemen.

"Korrelvormige materialen vertonen eigenaardig gedrag", zegt Cúñez, "maar we weten niet veel over hoe ze zich precies gedragen, omdat hun gedrag van zoveel verschillende omstandigheden afhangt."

In een pot met noten zitten de grootste noten meestal bovenaan, een fenomeen dat bekend staat als 'het Paranooteffect'. Credit:foto van de Universiteit van Rochester / J. Adam Fenster

Het paranooteffect

Korrelige materialen zoals granen, farmaceutische producten, zand en beton zijn gewoonlijk zo georganiseerd dat granen zich scheiden op basis van grootte in plaats van gelijkmatig te mengen. In een pot met noten bevinden zich bijvoorbeeld meestal de grootste noten bovenaan, een fenomeen dat bekend staat als 'het paranoteneffect'.

Het paranooteffect kan hinderlijk zijn voor veel industrieën, waaronder de voedingsmiddelen- en geneeskundesector, omdat het een uniforme vermenging verhindert. Het heeft ook invloeden in de natuur, waar graansegregatie de dynamiek van georisico's zoals aardverschuivingen, erosie en puinstromen kan veranderen.

Hoewel het fenomeen algemeen bekend is, wordt het nog niet volledig begrepen. Onderzoekers hebben zich van oudsher ook gefocust op de grootte van korrels, waarbij de meeste eerdere onderzoeken ervan uitgingen dat korrels bolvormig zijn – een uniformiteit die zelden de werkelijkheid weerspiegelt.

Vormveranderende dynamiek

Glade en haar team gebruikten geavanceerde computersimulaties waarbij mengsels van bollen werden vergeleken met mengsels van bollen en kubussen in een roterende trommel en in een rivierachtige opstelling om te onderzoeken hoe de korrelvorm de segregatie beïnvloedt in respectievelijk droge en natte omstandigheden. Uit hun onderzoek is gebleken dat zelfs kleine verschillen in korrelvorm de dynamiek van graansegregatie aanzienlijk kunnen veranderen.

Rochester-onderzoekers gebruikten computersimulaties waarbij mengsels van bollen (links) werden vergeleken met mengsels van bollen en kubussen (rechts) om te onderzoeken hoe de korrelvorm beïnvloedt segregatie. In het droge bollen-kubusmengsel heeft de segregatie de neiging af te nemen, waarbij de meeste grotere bollen naar de top stijgen, maar in mindere mate dan in het mengsel met alleen bollen. Krediet:Glade Lab

Concreet vonden de onderzoekers de volgende patronen in de droge systeemmengsels:

  • In een mengsel van bollen van verschillende grootte:de segregatie neemt toe, waarbij meer van de grotere bollen naar de top stijgen, wanneer de verhouding tussen bollen met groot volume en bollen met klein volume groter is.
  • In een mengsel van bollen van dezelfde grootte plus grotere kubussen:de segregatie is meestal hetzelfde als in het geval van alleen bollen, waarbij de grotere bollen naar boven stijgen.
  • In een mengsel van bollen van dezelfde grootte plus kleinere kubussen:de segregatie heeft de neiging af te nemen, waarbij de meeste grotere bollen naar de top stijgen, maar in mindere mate dan in het mengsel met alleen bollen.

Interessant is dat in een vloeibaar systeem de trend naar het tegenovergestelde verschuift:in een mengsel van bollen van dezelfde grootte plus kleinere kubussen bewegen de kleinere kubussen naar de top.

"Eén manier om dit te bedenken is dat de korrelvorm de segregatie zowel kwantitatief verandert - in de droge trommel verminderen kubussen de hoeveelheid segregatie - als kwalitatief - in de natte rivierkast veranderen kubussen de patronen van segregatie", zegt Glade. /P>

De industrie en de natuur opnieuw vormgeven

Toekomstig onderzoek zal onderzoeken waarom deze veranderingen in segregatie optreden. De onderzoekers vermoeden dat dit waarschijnlijk te wijten is aan verschillende factoren, waaronder de krachten die op de verschillende deeltjes worden uitgeoefend, waardoor ze aan elkaar plakken en op verschillende manieren beweging weerstaan.

Hoe dan ook laat het onderzoek zien hoe belangrijk de korrelvorm is in verschillende domeinen.

Glade benadrukt de bredere implicaties:"ons werk toont het belang aan van interdisciplinair onderzoek, geïnspireerd door natuurkunde, techniek en aardwetenschappen. Deze samenwerking maakt de weg vrij voor toekomstig werk om georisico's beter te begrijpen en te voorspellen, en segregatieproblemen in industriële stromen te verlichten." en ons begrip van korrelige materialen op aarde en andere planeten vergroten."

Meer informatie: Fernando David Cúñez et al., Hoe de vorm van deeltjes de granulaire segregatie in industriële en geofysische stromen beïnvloedt, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2307061121

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Rochester




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Onderzoek benadrukt pathoblokkers als toekomstig alternatief voor antibiotica
  2. Law of Independent Assortment (Mendel): definitie, verklaring, voorbeeld
  3. Biologische landbouw of bloemstroken:wat is beter voor bijen?
  4. Endoplasmatisch reticulum:ruw ER versus glad ER
  5. 10 tips van gelukkige mensen
  6. Wat zijn de subeenheden van DNA?
  7. Opwarming van de oceaan signaleert verandering van dieet voor Europese aalscholvers
  8. Hoe ziekteverwekkers mitochondriale afweermechanismen kunnen uitschakelen
  9. Team ontwikkelt een efficiënt gastheer-vectorsysteem voor een modelarchaeon door op CRISPR gebaseerd gastheer-plasmide-conflict op te lossen

Wetenschap