Fysiker har upptäckt att sandgranuler beter sig som vätskor med olika densiteter när de blandas - de bubblar och flyter.

Rörelse i flödet av bulkmaterial såsom sand och katalysatorpartiklar som används i kemiska tillämpningar

reaktorer, ligger bakom ett brett utbud avnaturfenomen - från jordskred till vulkanutbrott. Samma mekanism används i industriella processer som sträcker sig från läkemedelsproduktion till kolavskiljning. Rörelsen och blandningen av fasta ämnen uppvisar ofta slående likheter med vätskor, vilket sker i rörliga sanddyner, laviner och kvicksand. Samtidigt är fysiken bakom sådana granulära flöden inte lika tydlig som vätskeflöden.

En ny upptäckt av Chris Boyce, docent i kemi.i Engineering vid Columbia University, förklarar naturen hos en ny familj av gravitationsinstabiliteter i granulära partiklar med varierande densitet som drivs av gas. Liknande processer förekommer inte i vätskor. I samarbete med gruppen av energi- och ingenjörsprofessor Christoph Müller vid ETH Zürich upptäckte Beuys team en oväntad Rayleigh-Taylor-liknande instabilitet där lättare korn stiger upp genom tyngre korn i form av "fingrar" och "kornbubblor". Rayleigh-Taylors instabilitet beror på samverkan mellan två vätskor med olika densitet som inte blandas – till exempel olja och vatten, eftersom den lättare vätskan stöter bort den tyngre. Detta har aldrig tidigare setts mellan två torra granulära material.

Boyces studie visade för första gången att "bubblan"från lätt sand kan stiga genom tung sand, förutsatt att båda typerna av sand utsätts för vertikala vibrationer och gasflöde uppåt. Forskare har upptäckt att precis som luft- och oljebubblor stiger upp i vatten för att de är lättare än vatten och inte vill blandas med det, så passerar bubblor från lätt sand genom tung sand, även om de två typerna av sand är noggrant prövade att blanda.

"Vi tror att vår upptäckt kommer att förändrasvetenskap”, konstaterar Boyce. "Vi har hittat en "granulär" analog av flytande mekaniska instabiliteter. "Våra resultat kan inte bara förklara de geologiska formationerna och processerna som ligger bakom bildandet av mineralfyndigheter, utan kan också användas i pulverbearbetningsteknik inom energi-, bygg- och läkemedelsindustrin."

Forskarna fann också den gasenflödet som verkar på sanden skapar också andra gravitationsinstabiliteter, inklusive kaskadförgrening av den nedåtriktade granulära droppen. De visade också att Rayleigh-Taylors instabilitet som en instabilitet uppstår över ett brett spektrum av gasflödeshastigheter och vibrationsförhållanden, och bildar olika strukturer under olika excitationsförhållanden.

"Dessa instabiliteter som kan tillämpastill olika system, belyser dynamiken i den granulära miljön och ger nya möjligheter att bilda ett mönster inom granulära blandningar för bildandet av nya produkter inom läkemedelsindustrin, "tillägger Beuys. "Vi är särskilt glada över de potentiella effekterna av våra funderingar på geologiska vetenskaper - dessa instabiliteter hjälper oss att förstå hur planetens struktur har bildats över jordens långa historia och förutspår hur andra kommer att bildas i framtiden."