Físicos descobriram que grânulos de areia se comportam como líquidos de diferentes densidades quando misturados - eles borbulham e flutuam.

Movimento no fluxo de materiais a granel, como areia e partículas de catalisador usadas em aplicações químicas

reatores, está subjacente a uma ampla gama defenômenos naturais - de deslizamentos de terra a erupções vulcânicas. O mesmo mecanismo é utilizado em processos industriais que vão desde a produção farmacêutica até a captura de carbono. O movimento e a mistura de sólidos muitas vezes apresentam semelhanças impressionantes com os líquidos, como ocorre em dunas de areia em movimento, avalanches e areia movediça. Ao mesmo tempo, a física subjacente a esses fluxos granulares não é tão clara quanto a dos fluxos líquidos.

Uma descoberta recente de Chris Boyce, professor associado de química.em Engenharia na Universidade de Columbia, explica a natureza de uma nova família de instabilidades gravitacionais em partículas granulares de densidades variadas que são impulsionadas por gás. Processos semelhantes não ocorrem em líquidos. Em colaboração com o grupo de professor de energia e engenharia Christoph Müller da ETH Zurich, a equipe de Beuys descobriu uma instabilidade inesperada do tipo Rayleigh-Taylor, onde grãos mais leves sobem através de grãos mais pesados ​​na forma de “dedos” e “bolhas de grãos”. A instabilidade de Rayleigh-Taylor resulta da interação de dois líquidos de densidades diferentes que não se misturam – por exemplo, óleo e água, porque o líquido mais leve repele o mais pesado. Isto nunca foi visto antes entre dois materiais granulares secos.

O estudo de Boyce mostrou pela primeira vez que a “bolha”da areia leve pode subir através da areia pesada, desde que ambos os tipos de areia estejam sujeitos a vibração vertical e fluxo ascendente de gás. Os cientistas descobriram que, assim como as bolhas de ar e óleo sobem na água porque são mais leves que a água e não querem se misturar com ela, as bolhas da areia leve passam pela areia pesada, mesmo que os dois tipos de areia sejam cuidadosamente misturados.

“Acreditamos que nossa descoberta transformaráciência”, observa Boyce. “Encontramos um análogo “granular” das instabilidades mecânicas líquidas. "Nossos resultados podem não apenas explicar as formações geológicas e os processos subjacentes à formação de depósitos minerais, mas também podem ser usados ​​na tecnologia de processamento de pó nas indústrias de energia, construção e farmacêutica."

Os pesquisadores também descobriram que o gáso fluxo que atua na areia também cria outras instabilidades gravitacionais, incluindo ramificação em cascata da gota granular descendente. Eles também mostraram que a instabilidade de Rayleigh-Taylor como instabilidade ocorre em uma ampla faixa de taxas de fluxo de gás e condições de vibração, formando diferentes estruturas sob diferentes condições de excitação.

"Essas instabilidades que podem ser aplicadaspara diferentes sistemas, lançar luz sobre a dinâmica do ambiente granular e oferecer novas possibilidades para a formação de um padrão dentro das misturas granulares para a formação de novos produtos na indústria farmacêutica ”, acrescenta Beuys. “Estamos particularmente entusiasmados com o impacto potencial de nossas descobertas sobre as ciências geológicas - essas instabilidades nos ajudarão a entender como a estrutura do planeta se formou ao longo da longa história da Terra e prever como outros se formarão no futuro”.