اكتشف الفيزيائيون أن حبيبات الرمل تتصرف مثل السوائل ذات الكثافة المختلفة عند خلطها - فهي تطفو وتطفو.

الحركة في تدفق المواد السائبة مثل الرمل وجزيئات المحفز المستخدمة في التطبيقات الكيميائية

المفاعلات، يكمن وراء مجموعة واسعة منالظواهر الطبيعية - من الانهيارات الأرضية إلى الانفجارات البركانية. وتستخدم نفس الآلية في العمليات الصناعية التي تتراوح بين إنتاج الأدوية واحتجاز الكربون. غالبًا ما تظهر حركة المواد الصلبة واختلاطها تشابهات مذهلة مع السوائل، كما يحدث في الكثبان الرملية المتحركة والانهيارات الثلجية والرمال المتحركة. وفي الوقت نفسه، فإن الفيزياء الكامنة وراء هذه التدفقات الحبيبية ليست واضحة مثل التدفقات السائلة.

اكتشاف حديث لكريس بويس، أستاذ مشارك في الكيمياء.دكتوراه في الهندسة في جامعة كولومبيا، يشرح طبيعة عائلة جديدة من عدم استقرار الجاذبية في الجسيمات الحبيبية ذات الكثافات المتفاوتة التي يحركها الغاز. لا تحدث عمليات مماثلة في السوائل. بالتعاون مع مجموعة أستاذ الطاقة والهندسة كريستوف مولر في ETH زيورخ، اكتشف فريق بويز حالة عدم استقرار غير متوقعة تشبه حالة رايلي-تايلور، حيث ترتفع الحبوب الخفيفة من خلال الحبوب الأثقل على شكل "أصابع" و"فقاعات حبوب". ينجم عدم استقرار رايلي-تايلور عن تفاعل سائلين لهما كثافات مختلفة لا يختلطان، على سبيل المثال، الزيت والماء، لأن السائل الأخف يتنافر مع السائل الأثقل. وهذا لم يسبق له مثيل من قبل بين مادتين حبيبيتين جافتين.

وأظهرت دراسة بويس للمرة الأولى أن "الفقاعة"من الرمال الخفيفة يمكن أن يرتفع من خلال الرمال الثقيلة، بشرط أن يكون كلا النوعين من الرمال عرضة للاهتزاز الرأسي وتدفق الغاز إلى الأعلى. لقد اكتشف العلماء أنه مثلما ترتفع فقاعات الهواء والزيت في الماء لأنها أخف من الماء ولا تريد أن تختلط به، فإن فقاعات الرمال الخفيفة تمر عبر الرمال الثقيلة، حتى لو تمت تجربة نوعي الرمال بشكل دقيق.

"نحن نعتقد أن اكتشافنا سوف يتحول"العلم"، يلاحظ بويس. "لقد وجدنا نظيرًا "حبيبيًا" لعدم الاستقرار الميكانيكي السائل. "لا يمكن لنتائجنا أن تفسر التكوينات والعمليات الجيولوجية الكامنة وراء تكوين الرواسب المعدنية فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا في تكنولوجيا معالجة المسحوق في صناعات الطاقة والبناء والأدوية."

ووجد الباحثون أيضا أن الغازكما أن التدفق المؤثر على الرمال يخلق أيضًا حالات عدم استقرار جاذبية أخرى، بما في ذلك التفرع المتتالي للقطرة الحبيبية الهابطة. لقد أظهروا أيضًا أن عدم استقرار رايلي-تايلور يحدث على نطاق واسع من معدلات تدفق الغاز وظروف الاهتزاز، مما يشكل هياكل مختلفة تحت ظروف إثارة مختلفة.

"هذه الثغرات التي يمكن تطبيقهايضيف Beuys إلى الأنظمة المختلفة ، وإلقاء الضوء على ديناميات البيئة الحبيبية ، وتوفير إمكانيات جديدة لتشكيل نمط داخل الخلائط الحبيبية لتشكيل منتجات جديدة في صناعة الأدوية. "نحن متحمسون بشكل خاص للتأثير المحتمل لنتائجنا على العلوم الجيولوجية - حيث ستساعدنا هذه الاضطرابات على فهم كيف تشكلت بنية الكوكب على مدار تاريخ الأرض الطويل وتوقعت كيف سيتشكل الآخرون في المستقبل."