Ahora, un descubrimiento reciente de Chris Boyce, profesor asistente de ingeniería química en Columbia Engineering, explica una nueva familia de inestabilidades gravitacionales en partículas granulares de diferentes densidades que son impulsadas por un mecanismo de canalización de gas que no se ve en los fluidos. En colaboración con el grupo del profesor Christoph Müller de Energía e Ingeniería en ETH Zurich, el equipo de Boyce observó una inesperada inestabilidad similar a Rayleigh-Taylor (R-T) en la que los granos más ligeros se elevan a través de granos más pesados ​​en forma de "dedos" y "burbujas granulares". Las inestabilidades de R-T, que son producidas por las interacciones de dos fluidos de diferentes densidades que no se mezclan, por ejemplo, el aceite y el agua, porque el fluido más liviano hace a un lado el más pesado, no se ha visto entre dos materiales granulares secos.

El estudio, publicado hoy en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, es el primero en demostrar que las "burbujas" de arena más ligera se forman y se elevan a través de la arena más pesada cuando los dos tipos de arena están sujetos a vibración vertical y flujo de gas ascendente, similar a las burbujas que se forman y aumentan en las lámparas de lava. El equipo descubrió que, al igual que las burbujas de aire y aceite se elevan en el agua porque son más ligeras que el agua y no quieren mezclarse con ella, las burbujas de arena liviana se elevan a través de la arena más pesada, aunque dos tipos de arena les gusta mezclarse.

"Creemos que nuestro descubrimiento es transformador", dice Boyce. "Hemos encontrado un análogo granular de una de las últimas inestabilidades mecánicas de fluidos principales. Mientras que los análogos de las otras inestabilidades importantes se han descubierto en flujos granulares en las últimas décadas, la inestabilidad de RT se ha eludido. comparación directa. Nuestros hallazgos no solo podrían explicar las formaciones geológicas y los procesos que subyacen a los depósitos minerales, sino que también podrían usarse en tecnologías de procesamiento de polvo en las industrias de energía, construcción y productos farmacéuticos ".

El grupo de Boyce utilizó modelos experimentales y computacionales para mostrar que la canalización de gas a través de partículas más ligeras desencadena la formación de patrones de dedos y burbujas. La canalización del gas se produce porque los grupos de partículas más ligeras y grandes tienen una mayor permeabilidad al flujo de gas que los granos más pesados ​​y pequeños. La inestabilidad tipo R-T en los materiales granulares surge de una competencia entre la fuerza de arrastre ascendente incrementada localmente por canalización de gas y las fuerzas de contacto descendente, un mecanismo físico completamente diferente del que se encuentra en los líquidos.

Descubrieron que este mecanismo de canalización de gas también genera otras inestabilidades gravitacionales, incluida la ramificación en cascada de una gota granular descendente. También demostraron que la inestabilidad tipo R-T puede ocurrir en una amplia variedad de condiciones de flujo de gas y vibración, formando diferentes estructuras en diferentes condiciones de excitación.

"Estas inestabilidades, que se pueden aplicar a una variedad de sistemas, arrojan nueva luz sobre la dinámica granular y sugieren nuevas oportunidades para los patrones dentro de mezclas granulares para formar nuevos productos en la industria farmacéutica, por ejemplo", agrega Boyce. "Estamos especialmente entusiasmados con el impacto potencial de nuestros hallazgos en las ciencias geológicas. Estas inestabilidades pueden ayudarnos a comprender cómo se han formado las estructuras a lo largo de la larga historia de la Tierra y predecir cómo se formarán otras en el futuro".

Boyce ahora está investigando otros fenómenos similares a líquidos y estructurados en partículas de arena y cuantificando su comportamiento. También está en conversaciones con geólogos y volcanólogos para explorar más sobre cómo este proceso y otros similares ocurren en el mundo natural.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia. Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.