Sumergir un tubo en un recipiente lleno de agua hará que el agua suba por el tubo. Este fenómeno se llama capilaridad líquida. Es responsable de muchos procesos naturales y técnicos, por ejemplo, la absorción de agua de los árboles, tinta subiendo en una pluma estilográfica, y esponjas que absorben el agua de los platos. Pero, ¿qué sucede si el tubo se sumerge en un recipiente lleno no de agua sino de arena? La respuesta es nada. Sin embargo, si el tubo se agita hacia arriba y hacia abajo, la arena también empezará a subir. Los científicos ahora han descubierto el mecanismo detrás de este efecto, el llamado efecto capilar granular.

Dr. Eric J. R. Parteli del Departamento de Geociencias de la Universidad de Colonia, El profesor Fengxian Fan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai, y el profesor Thorsten Pöschel de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg han publicado los resultados de su estudio 'El origen de la capilaridad granular revelada por simulaciones basadas en partículas' en Cartas de revisión física .

La capilaridad del líquido es el resultado de la interacción de diferentes fuerzas moleculares:la atracción entre las moléculas del líquido las mantiene unidas, mientras que la atracción entre las moléculas y el tubo impulsa el líquido hacia arriba. Esta explicación excluye la aparición de capilaridad en la arena porque los granos de arena son mucho más grandes que sus moléculas constituyentes, por lo que las fuerzas intermoleculares pueden despreciarse con seguridad en comparación con la gravedad y la inercia del grano. Sin embargo, asombrosamente, La capilaridad granular se ha observado en experimentos de laboratorio en los que el material granular se sometió a una diminuta vibración vertical de unos pocos diámetros de grano en amplitud y una frecuencia de unos pocos hercios. El origen de este efecto capilar granular fue un misterio de larga data que el equipo internacional de científicos logró desvelar.

Investigaron el problema utilizando un método de simulación numérico basado en partículas llamado Método de elementos discretos. En este método, la trayectoria de cada grano se calcula resolviendo numéricamente las ecuaciones de Newton de movimiento de traslación y rotación debido a las fuerzas que actúan sobre cada grano. Por medio de tal experimento numérico, por lo tanto, es posible rastrear la trayectoria y la velocidad de todos los granos, incluidos los granos que se encuentran en lo más profundo de la masa granular, que son difíciles de evaluar en el laboratorio.

El equipo de investigación observó en sus simulaciones que lo que hace que la columna de arena ascienda en el tubo es un movimiento convectivo de los granos de arena dentro del recipiente que es inherente a los materiales granulares bajo vibraciones verticales. Este flujo convectivo provoca el transporte lateral de masa dentro del empaque granular vibrante, que conduce a una presión hacia arriba en la base de la columna granular en el tubo, por eso la columna asciende. Los científicos descubrieron que la velocidad y la distancia a la que se eleva la columna depende del tamaño del tubo. Notablemente, las simulaciones mostraron que la altura del menisco granular (la altura capilar que alcanza la columna granular después de un tiempo prolongado) es proporcional a la inversa del tamaño del tubo. Este es exactamente el mismo comportamiento que para la capilaridad líquida, aunque las fuerzas impulsoras en los dos sistemas son muy diferentes.

Los físicos demostraron en su estudio que se puede producir el mismo efecto capilar al agitar el tubo en lugar del recipiente, lo que abre aplicaciones prometedoras en los sectores de manipulación y transporte. Por ejemplo, las partículas se pueden bombear desde recipientes muy grandes simplemente usando capilaridad granular. Ahora están estudiando el proceso con más profundidad para comprender el efecto del sistema y la geometría de las partículas.