Fysikere har oppdaget at sandgranulerer oppfører seg som væsker av forskjellige tettheter når de blandes - de bobler og flyter.

Bevegelse i flyt av bulkmaterialer som sand og katalysatorpartikler brukt i kjemiske applikasjoner

reaktorer, ligger til grunn for et bredt spekter avnaturfenomener - fra jordskred til vulkanutbrudd. Den samme mekanismen brukes i industrielle prosesser som spenner fra farmasøytisk produksjon til karbonfangst. Bevegelsen og blandingen av faste stoffer viser ofte slående likheter med væsker, som skjer i bevegelige sanddyner, snøskred og kvikksand. Samtidig er ikke fysikken som ligger til grunn for slike granulære strømmer like klar som væskestrømmer.

En fersk oppdagelse av Chris Boyce, førsteamanuensis i kjemi.i ingeniørfag ved Columbia University, forklarer naturen til en ny familie av gravitasjonsustabiliteter i granulære partikler med varierende tetthet som drives av gass. Lignende prosesser forekommer ikke i væsker. I samarbeid med gruppen av energi- og ingeniørprofessor Christoph Müller ved ETH Zurich, oppdaget Beuys sitt team en uventet Rayleigh-Taylor-lignende ustabilitet der lettere korn stiger opp gjennom tyngre korn i form av "fingre" og "kornbobler". Rayleigh-Taylor-ustabilitet skyldes samspillet mellom to væsker med forskjellig tetthet som ikke blandes - for eksempel olje og vann, fordi den lettere væsken frastøter den tyngre. Dette har aldri vært sett før mellom to tørre granulære materialer.

Boyces studie viste for første gang at "boblen"fra lett sand kan stige gjennom tung sand, forutsatt at begge typer sand utsettes for vertikal vibrasjon og gassstrøm oppover. Forskere har oppdaget at akkurat som luft- og oljebobler stiger opp i vann fordi de er lettere enn vann og ikke ønsker å blande seg med det, passerer bobler fra lett sand gjennom tung sand, selv om de to sandtypene er grundig forsøkt å blande.

"Vi tror at oppdagelsen vår vil forandre segvitenskap," bemerker Boyce. "Vi har funnet en "granulær" analog av flytende mekaniske ustabiliteter. "Våre resultater kan ikke bare forklare de geologiske formasjonene og prosessene som ligger til grunn for dannelsen av mineralforekomster, men kan også brukes i pulverprosessteknologi i energi-, konstruksjons- og farmasøytisk industri."

Forskerne fant også at gassenstrømmen som virker på sanden skaper også andre gravitasjonsustabiliteter, inkludert kaskadende forgrening av den nedadgående granulære dråpen. De viste også at Rayleigh-Taylor-ustabiliteten som en ustabilitet forekommer over et bredt spekter av gassstrømningshastigheter og vibrasjonsforhold, og danner forskjellige strukturer under forskjellige eksitasjonsforhold.

"Disse ustabilitetene som kan brukestil forskjellige systemer, kaster lys på dynamikken i det granulære miljøet og gir nye muligheter for dannelsen av et mønster i granulatblandingene for dannelse av nye produkter i farmasøytisk industri, "tilfører Beuys. "Vi er spesielt begeistret for den potensielle effekten av funnene våre på geologiske fag - disse ustabilitetene vil hjelpe oss å forstå hvordan strukturen på planeten har dannet seg over jordens lange historie og forutsi hvordan andre vil danne seg i fremtiden."