Natuurkundigen hebben ontdekt dat zandkorrels zich gedragen als vloeistoffen met verschillende dichtheden als ze gemengd zijn - bubbelen en drijven.

Beweging in de stroom van bulkmaterialen zoals zand en katalysatordeeltjes die worden gebruikt in chemische toepassingen

reactoren, ligt ten grondslag aan een breed scala vannatuurverschijnselen - van aardverschuivingen tot vulkaanuitbarstingen. Hetzelfde mechanisme wordt gebruikt in industriële processen, variërend van farmaceutische productie tot koolstofafvang. De beweging en vermenging van vaste stoffen vertonen vaak opvallende overeenkomsten met vloeistoffen, zoals gebeurt bij bewegende zandduinen, lawines en drijfzand. Tegelijkertijd is de fysica die ten grondslag ligt aan dergelijke korrelige stromingen niet zo duidelijk als die van vloeistofstromen.

Een recente ontdekking door Chris Boyce, universitair docent scheikunde.in Engineering aan Columbia University, verklaart de aard van een nieuwe familie van zwaartekrachtinstabiliteiten in korrelige deeltjes van verschillende dichtheden die worden aangedreven door gas. Soortgelijke processen komen niet voor in vloeistoffen. In samenwerking met de groep energie- en techniekprofessor Christoph Müller van de ETH Zürich ontdekte het team van Beuys een onverwachte Rayleigh-Taylor-achtige instabiliteit waarbij lichtere korrels door zwaardere korrels heen stijgen in de vorm van ‘vingers’ en ‘korrelbellen’. De instabiliteit van Rayleigh-Taylor is het gevolg van de interactie van twee vloeistoffen met verschillende dichtheden die niet mengen, bijvoorbeeld olie en water, omdat de lichtere vloeistof de zwaardere afstoot. Dit is nog nooit eerder gezien tussen twee droge korrelige materialen.

Uit het onderzoek van Boyce bleek voor het eerst dat de ‘bubbel’uit licht zand kan door zwaar zand omhoog komen, op voorwaarde dat beide zandsoorten onderhevig zijn aan verticale trillingen en opwaartse gasstroming. Wetenschappers hebben ontdekt dat net zoals lucht- en oliebellen in water opstijgen omdat ze lichter zijn dan water en zich er niet mee willen vermengen, bellen uit licht zand door zwaar zand gaan, zelfs als er grondig wordt geprobeerd de twee soorten zand te mengen.

“Wij geloven dat onze ontdekking zal transformerenwetenschap”, merkt Boyce op. “We hebben een ‘granulair’ analoog van vloeistofmechanische instabiliteiten gevonden. "Onze resultaten kunnen niet alleen de geologische formaties en processen verklaren die ten grondslag liggen aan de vorming van minerale afzettingen, maar kunnen ook worden gebruikt in poederverwerkingstechnologie in de energie-, bouw- en farmaceutische industrie."

Dat gas vonden de onderzoekers ookde stroming die op het zand inwerkt, creëert ook andere zwaartekrachtinstabiliteiten, waaronder trapsgewijze vertakkingen van de neerwaartse korrelige druppel. Ze toonden ook aan dat de Rayleigh-Taylor-instabiliteit als instabiliteit optreedt over een breed scala aan gasstroomsnelheden en trillingsomstandigheden, waarbij verschillende structuren worden gevormd onder verschillende excitatieomstandigheden.

"Deze instabiliteiten die kunnen worden toegepastop verschillende systemen, licht de dynamiek van de korrelige omgeving in en biedt nieuwe mogelijkheden voor de vorming van een patroon binnen de korrelige mengsels voor de vorming van nieuwe producten in de farmaceutische industrie, "voegt Beuys toe. "We zijn bijzonder enthousiast over de potentiële impact van onze bevindingen op de geologische wetenschappen - deze instabiliteiten zullen ons helpen begrijpen hoe de structuur van de planeet zich heeft gevormd over de lange geschiedenis van de aarde en voorspellen hoe anderen zich in de toekomst zullen vormen."