Physiker haben entdeckt, dass sich Sandkörnchen beim Vermischen wie Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte verhalten - sie sprudeln und schweben.

Bewegung im Fluss von Schüttgütern wie Sand und Katalysatorpartikeln, die in chemischen Anwendungen verwendet werden

Reaktoren, liegt einer breiten Palette von zugrundeNaturphänomene – von Erdrutschen bis hin zu Vulkanausbrüchen. Der gleiche Mechanismus wird in industriellen Prozessen verwendet, die von der pharmazeutischen Produktion bis zur Kohlenstoffabscheidung reichen. Die Bewegung und Vermischung von Feststoffen weist oft verblüffende Ähnlichkeiten mit Flüssigkeiten auf, wie es bei wandernden Sanddünen, Lawinen und Treibsand der Fall ist. Gleichzeitig ist die Physik, die solchen körnigen Strömungen zugrunde liegt, nicht so klar wie die von Flüssigkeitsströmungen.

Eine aktuelle Entdeckung von Chris Boyce, außerordentlicher Professor für Chemie.in Engineering an der Columbia University, erklärt die Natur einer neuen Familie von Gravitationsinstabilitäten in körnigen Partikeln unterschiedlicher Dichte, die durch Gas angetrieben werden. Ähnliche Prozesse finden in Flüssigkeiten nicht statt. In Zusammenarbeit mit der Gruppe des Energie- und Ingenieurprofessors Christoph Müller an der ETH Zürich entdeckte Beuys‘ Team eine unerwartete Rayleigh-Taylor-ähnliche Instabilität, bei der leichtere Körner durch schwerere Körner in Form von „Fingern“ und „Kornblasen“ aufsteigen. Die Rayleigh-Taylor-Instabilität entsteht durch die Wechselwirkung zweier Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte, die sich nicht vermischen – zum Beispiel Öl und Wasser, weil die leichtere Flüssigkeit die schwerere abstößt. Dies wurde noch nie zuvor zwischen zwei trockenen körnigen Materialien beobachtet.

Boyces Studie zeigte zum ersten Mal, dass die „Blase“Von leichtem Sand kann bis zu schwerem Sand aufsteigen, vorausgesetzt, dass beide Sandarten vertikalen Vibrationen und einem aufwärts gerichteten Gasstrom ausgesetzt sind. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass ebenso wie Luft- und Ölblasen im Wasser aufsteigen, weil sie leichter als Wasser sind und sich nicht mit Wasser vermischen wollen, Blasen aus leichtem Sand durch schweren Sand hindurchgehen, selbst wenn man gründlich versucht, die beiden Sandarten zu vermischen.

„Wir glauben, dass unsere Entdeckung eine Veränderung bewirken wirdWissenschaft“, bemerkt Boyce. „Wir haben ein „granulares“ Analogon zu flüssigen mechanischen Instabilitäten gefunden. „Unsere Ergebnisse können nicht nur die geologischen Formationen und Prozesse erklären, die der Entstehung von Mineralvorkommen zugrunde liegen, sondern können auch in der Pulververarbeitungstechnik in der Energie-, Bau- und Pharmaindustrie eingesetzt werden.“

Auch dieses Gas fanden die ForscherDie auf den Sand wirkende Strömung erzeugt auch andere Gravitationsinstabilitäten, einschließlich der kaskadenartigen Verzweigung des nach unten gerichteten körnigen Tröpfchens. Sie zeigten auch, dass die Rayleigh-Taylor-Instabilität als Instabilität über einen weiten Bereich von Gasdurchflussraten und Vibrationsbedingungen auftritt und unter verschiedenen Anregungsbedingungen unterschiedliche Strukturen bildet.

"Diese Instabilitäten können angewendet werdenunterschiedliche Systeme, die die Dynamik der körnigen Umgebung beleuchten und neue Möglichkeiten für die Bildung eines Musters innerhalb der körnigen Gemische für die Bildung neuer Produkte in der pharmazeutischen Industrie bieten “, fügt Beuys hinzu. "Wir freuen uns besonders über die möglichen Auswirkungen unserer Ergebnisse auf die Geowissenschaften. Diese Instabilitäten werden uns helfen, zu verstehen, wie sich die Struktur des Planeten über die lange Geschichte der Erde gebildet hat, und vorauszusagen, wie sich andere in Zukunft bilden werden."