Fizicienii au descoperit că granulele de nisip se comportă ca lichide de diferite densități atunci când sunt amestecate - se balonează și plutesc.

Mișcarea în flux a materialelor în vrac, cum ar fi nisipul și particulele de catalizator utilizate în aplicații chimice

reactoare, stă la baza unei game largi defenomene naturale – de la alunecări de teren la erupții vulcanice. Același mecanism este utilizat în procesele industriale, de la producția farmaceutică până la captarea carbonului. Mișcarea și amestecarea solidelor prezintă adesea asemănări izbitoare cu lichidele, așa cum se întâmplă în dunele de nisip în mișcare, avalanșe și nisipurile mișcătoare. În același timp, fizica care stă la baza unor astfel de fluxuri granulare nu este la fel de clară ca fluxurile lichide.

O descoperire recentă a lui Chris Boyce, profesor asistent de chimie.în Inginerie la Universitatea Columbia, explică natura unei noi familii de instabilități gravitaționale în particule granulare de densități diferite care sunt conduse de gaz. Procese similare nu au loc în lichide. În colaborare cu grupul de profesor de energie și inginerie Christoph Müller de la ETH Zurich, echipa lui Beuys a descoperit o instabilitate neașteptată, asemănătoare Rayleigh-Taylor, în care boabele mai ușoare se ridică prin boabe mai grele sub formă de „degete” și „bule de cereale”. Instabilitatea Rayleigh-Taylor rezultă din interacțiunea a două lichide de densități diferite care nu se amestecă - de exemplu, uleiul și apa, deoarece lichidul mai ușor îl respinge pe cel mai greu. Acest lucru nu s-a mai văzut până acum între două materiale granulare uscate.

Studiul lui Boyce a arătat pentru prima dată că „bula”din nisipul ușor se poate ridica prin nisipul greu, cu condiția ca ambele tipuri de nisip să fie supuse vibrațiilor verticale și fluxului de gaz ascendent. Oamenii de știință au descoperit că, așa cum bulele de aer și ulei se ridică în apă pentru că sunt mai ușoare decât apa și nu vor să se amestece cu ea, bulele din nisip ușor trec prin nisip greu, chiar dacă cele două tipuri de nisip sunt bine încercate să se amestece.

„Credem că descoperirea noastră se va transformaștiință”, notează Boyce. „Am găsit un analog „granular” al instabilităților mecanice lichide. „Rezultatele noastre pot explica nu numai formațiunile și procesele geologice care stau la baza formării zăcămintelor minerale, dar pot fi utilizate și în tehnologia de prelucrare a pulberilor în industria energetică, construcții și farmaceutică”.

Cercetătorii au descoperit și acel gazfluxul care acționează asupra nisipului creează și alte instabilități gravitaționale, inclusiv ramificarea în cascadă a picăturii granulare în jos. Ei au arătat, de asemenea, că instabilitatea Rayleigh-Taylor ca instabilitate are loc într-o gamă largă de debite de gaz și condiții de vibrație, formând structuri diferite în diferite condiții de excitație.

"Aceste instabilități pot fi aplicatela sisteme diferite, să lumineze dinamica mediului granular și să ofere noi posibilități pentru formarea unui model în cadrul amestecurilor granulare pentru formarea de noi produse în industria farmaceutică ", adaugă Beuys. "Suntem deosebit de încântați de impactul potențial al descoperirilor noastre asupra științelor geologice - aceste instabilități ne vor ajuta să înțelegem cum sa format structura planetei pe parcursul lungii istorii a Pământului și să prezică cum se vor forma alții în viitor".