Οι φυσικοί έχουν ανακαλύψει ότι οι κόκκοι άμμου συμπεριφέρονται σαν υγρά διαφορετικής πυκνότητας όταν αναμιγνύονται - φουσκώνουν και επιπλέουν.

Κίνηση στη ροή χύδην υλικών όπως η άμμος και τα σωματίδια καταλύτη που χρησιμοποιούνται σε χημικές εφαρμογές

αντιδραστήρες, βρίσκεται κάτω από ένα ευρύ φάσμα τωνφυσικά φαινόμενα - από κατολισθήσεις έως ηφαιστειακές εκρήξεις. Ο ίδιος μηχανισμός χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές διεργασίες που κυμαίνονται από τη φαρμακευτική παραγωγή έως τη δέσμευση άνθρακα. Η κίνηση και η ανάμειξη στερεών συχνά εμφανίζουν εντυπωσιακές ομοιότητες με τα υγρά, όπως συμβαίνει σε κινούμενους αμμόλοφους, χιονοστιβάδες και κινούμενη άμμο. Ταυτόχρονα, η φυσική που κρύβεται πίσω από αυτές τις κοκκώδεις ροές δεν είναι τόσο σαφής όσο οι ροές υγρών.

Μια πρόσφατη ανακάλυψη από τον Chris Boyce, αναπληρωτή καθηγητή χημείας.στη Μηχανική στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, εξηγεί τη φύση μιας νέας οικογένειας βαρυτικών αστάθειας σε κοκκώδη σωματίδια ποικίλης πυκνότητας που οδηγούνται από αέριο. Παρόμοιες διεργασίες δεν συμβαίνουν στα υγρά. Σε συνεργασία με την ομάδα του καθηγητή ενέργειας και μηχανικής Christoph Müller στο ETH Ζυρίχης, η ομάδα του Beuys ανακάλυψε μια απροσδόκητη αστάθεια που μοιάζει με το Rayleigh-Taylor, όπου ελαφρύτεροι κόκκοι αναδύονται μέσα από βαρύτερους κόκκους με τη μορφή «δακτύλων» και «φυσαλίδων κόκκων». Η αστάθεια Rayleigh-Taylor προκύπτει από την αλληλεπίδραση δύο υγρών διαφορετικής πυκνότητας που δεν αναμειγνύονται—για παράδειγμα, λάδι και νερό, επειδή το ελαφρύτερο υγρό απωθεί το βαρύτερο. Αυτό δεν έχει ξαναδεί ποτέ πριν ανάμεσα σε δύο ξηρά κοκκώδη υλικά.

Η μελέτη του Boyce έδειξε για πρώτη φορά ότι η «φούσκα»από ελαφριά άμμο μπορεί να ανυψωθεί μέσα από βαριά άμμο, με την προϋπόθεση ότι και οι δύο τύποι άμμου υπόκεινται σε κάθετους κραδασμούς και ροή αερίου προς τα πάνω. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όπως οι φυσαλίδες αέρα και λαδιού ανεβαίνουν στο νερό επειδή είναι ελαφρύτερες από το νερό και δεν θέλουν να αναμειχθούν με αυτό, οι φυσαλίδες από ελαφριά άμμο περνούν μέσα από βαριά άμμο, ακόμα κι αν οι δύο τύποι άμμου προσπαθούν να αναμειχθούν καλά.

«Πιστεύουμε ότι η ανακάλυψή μας θα μεταμορφωθείεπιστήμη», σημειώνει ο Boyce. «Βρήκαμε ένα «κοκκώδες» ανάλογο υγρών μηχανικών αστάθειας. «Τα αποτελέσματά μας δεν μπορούν μόνο να εξηγήσουν τους γεωλογικούς σχηματισμούς και τις διεργασίες που διέπουν το σχηματισμό κοιτασμάτων ορυκτών, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στην τεχνολογία επεξεργασίας σκόνης στην ενέργεια, τις κατασκευές και τη φαρμακευτική βιομηχανία».

Οι ερευνητές βρήκαν επίσης ότι το αέριοη ροή που δρα στην άμμο δημιουργεί επίσης άλλες βαρυτικές αστάθειες, συμπεριλαμβανομένης της κλιμακωτής διακλάδωσης του προς τα κάτω κοκκώδους σταγονιδίου. Έδειξαν επίσης ότι η αστάθεια Rayleigh-Taylor ως αστάθεια εμφανίζεται σε ένα ευρύ φάσμα ρυθμών ροής αερίου και συνθηκών δόνησης, σχηματίζοντας διαφορετικές δομές υπό διαφορετικές συνθήκες διέγερσης.

"Αυτές οι αστάθειες που μπορούν να εφαρμοστούνσε διαφορετικά συστήματα, ρίχνουν φως στη δυναμική του κοκκώδους περιβάλλοντος και προσφέρουν νέες δυνατότητες για το σχηματισμό ενός μοτίβου μέσα στα κοκκώδη μίγματα για το σχηματισμό νέων προϊόντων στη φαρμακευτική βιομηχανία ", προσθέτει ο Beuys. "Είμαστε ιδιαίτερα ενθουσιασμένοι με τον πιθανό αντίκτυπο των ευρημάτων μας στις γεωλογικές επιστήμες - αυτές οι αστάθειες θα μας βοηθήσουν να καταλάβουμε πώς έχει διαμορφωθεί η δομή του πλανήτη στη μακρά ιστορία της Γης και να προβλέψουμε πώς θα διαμορφωθούν οι άλλοι στο μέλλον".