Fizycy odkryli, że po zmieszaniu granulki piasku zachowują się jak ciecze o różnych gęstościach - pękają i pływają.

Ruch w przepływie materiałów sypkich, takich jak piasek i cząstki katalizatora, stosowanych w zastosowaniach chemicznych

reaktorów, stanowi podstawę szerokiej gamyzjawiska naturalne - od osuwisk po erupcje wulkanów. Ten sam mechanizm stosowany jest w procesach przemysłowych, od produkcji farmaceutycznej po wychwytywanie dwutlenku węgla. Ruch i mieszanie się ciał stałych często wykazuje uderzające podobieństwo do cieczy, co ma miejsce w przypadku ruchomych wydm, lawin i ruchomych piasków. Jednocześnie fizyka leżąca u podstaw takich ziarnistych przepływów nie jest tak jasna jak w przypadku przepływów cieczy.

Niedawne odkrycie Chrisa Boyce’a, profesora chemii.Doktor inżynierii na Uniwersytecie Columbia, wyjaśnia naturę nowej rodziny niestabilności grawitacyjnych w ziarnistych cząstkach o różnej gęstości napędzanych gazem. Podobne procesy nie zachodzą w cieczach. We współpracy z grupą profesora energetyki i inżynierii Christophem Müllerem w ETH Zurich zespół Beuysa odkrył nieoczekiwaną niestabilność podobną do Rayleigha-Taylora, w której lżejsze ziarna wznoszą się przez cięższe w postaci „palców” i „pęcherzyków zbożowych”. Niestabilność Rayleigha-Taylora wynika z oddziaływania dwóch cieczy o różnej gęstości, które się nie mieszają – na przykład oleju i wody, ponieważ lżejsza ciecz odpycha cięższą. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano czegoś takiego pomiędzy dwoma suchymi materiałami ziarnistymi.

Badanie Boyce’a po raz pierwszy wykazało, że „bańka”z piasku lekkiego może unosić się przez piasek ciężki, pod warunkiem, że oba rodzaje piasku będą narażone na drgania pionowe i przepływ gazu w górę. Naukowcy odkryli, że tak jak pęcherzyki powietrza i oleju unoszą się w wodzie, ponieważ są lżejsze od wody i nie chcą się z nią mieszać, tak pęcherzyki z lekkiego piasku przechodzą przez ciężki piasek, nawet jeśli oba rodzaje piasku zostaną dokładnie zmieszane.

„Wierzymy, że nasze odkrycie ulegnie przemianienauki” – zauważa Boyce. „Znaleźliśmy „ziarnisty” analog niestabilności mechanicznej cieczy. „Nasze wyniki mogą nie tylko wyjaśnić formacje geologiczne i procesy leżące u podstaw powstawania złóż minerałów, ale także mogą zostać wykorzystane w technologii przetwarzania proszków w przemyśle energetycznym, budowlanym i farmaceutycznym”.

Naukowcy odkryli również ten gazprzepływ działający na piasek powoduje również inne niestabilności grawitacyjne, w tym kaskadowe rozgałęzienia skierowanej w dół ziarnistej kropli. Pokazali także, że niestabilność Rayleigha-Taylora jako niestabilność występuje w szerokim zakresie natężeń przepływu gazu i warunków wibracji, tworząc różne struktury w różnych warunkach wzbudzenia.

„Te niestabilności, które można zastosowaćw różnych systemach rzuca światło na dynamikę ziarnistego środowiska i oferuje nowe możliwości tworzenia wzoru w granulowanych mieszankach do tworzenia nowych produktów w przemyśle farmaceutycznym ”, dodaje Beuys. „Jesteśmy szczególnie podekscytowani potencjalnym wpływem naszych odkryć na nauki geologiczne - te niestabilności pomogą nam zrozumieć, w jaki sposób struktura planety uformowała się w długiej historii Ziemi i przewidzieć, jak inni będą tworzyć się w przyszłości”