Granulaire materialen , zoals zand, grind en rijst, zijn overal om ons heen. Ze worden in alles gebruikt, van de bouw tot de voedselproductie. Maar ondanks hun alomtegenwoordigheid begrijpen we nog steeds niet volledig hoe ze zich gedragen.

Een van de meest interessante eigenschappen van korrelige materialen is hun vermogen om zichzelf te organiseren. Wanneer een korrelig materiaal in een container wordt gegoten, zal het uiteindelijk in een stabiele configuratie bezinken. Deze configuratie wordt vaak gekenmerkt door de vorming van bogen en gewelven, die helpen het gewicht van het materiaal te dragen.

Hoe slagen korrelige materialen erin deze structuren te vormen? Een nieuwe studie van onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam biedt enig inzicht. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics , laat zien dat korrelige materialen zichzelf kunnen organiseren door gebruik te maken van een proces dat korrelige convectie wordt genoemd .

Granulaire convectie is een proces waarbij warmte door een korrelig materiaal wordt overgedragen door de beweging van de deeltjes. Wanneer een korrelig materiaal wordt verwarmd, worden de deeltjes onderin de container warmer dan de deeltjes bovenaan. Dit temperatuurverschil zorgt ervoor dat de deeltjes aan de onderkant stijgen, terwijl de deeltjes aan de bovenkant vallen. Deze beweging van deeltjes creëert een convectieve stroom die helpt de warmte door het materiaal te verspreiden.

De onderzoekers ontdekten dat korrelige convectie ook kan helpen bij het zelforganiseren van korrelige materialen. Wanneer een korrelig materiaal wordt verwarmd, zal de convectieve stroming ervoor zorgen dat de deeltjes rondbewegen en zichzelf herschikken. Deze herschikking kan leiden tot de vorming van bogen en gewelven, die helpen het gewicht van het materiaal te dragen.

De bevindingen van de onderzoekers kunnen belangrijke implicaties hebben voor het ontwerp van structuren die korrelige materialen gebruiken. Door te begrijpen hoe korrelige materialen zichzelf organiseren, kunnen ingenieurs structuren ontwerpen die stabieler zijn en minder snel instorten.

Hoe korrelige materialen zichzelf uit de problemen halen

Wanneer een korrelig materiaal wordt opgesloten, zoals in een silo of een trechter, kan het vastlopen. Dit gebeurt wanneer de deeltjes zo dicht op elkaar zitten dat ze niet meer kunnen bewegen. Vastlopen kan problemen veroorzaken in industriële omgevingen, bijvoorbeeld wanneer materialen hierdoor niet uit een silo kunnen stromen.

De onderzoekers ontdekten dat korrelige convectie ook kan helpen het vastlopen te verminderen. Wanneer een korrelig materiaal wordt verwarmd, zal de convectieve stroming ervoor zorgen dat de deeltjes rondbewegen en zichzelf herschikken. Deze herschikking kan leiden tot de vorming van kanalen en paden waardoor het materiaal kan stromen.

De bevindingen van de onderzoekers kunnen belangrijke implicaties hebben voor het ontwerp van industriële apparatuur die korrelige materialen verwerkt. Door te begrijpen hoe korrelige materialen uit de problemen komen, kunnen ingenieurs apparatuur ontwerpen die minder snel vastloopt en efficiënter is.