Los sistemas granulares como grava o polvos se pueden encontrar en todas partes, pero estudiarlos no es fácil. Los investigadores de ETH Zurich han desarrollado un método mediante el cual se pueden tomar fotografías del interior de los sistemas granulares diez mil veces más rápido que antes.

Incluso en nuestro mundo moderno lleno de máquinas y dispositivos altamente tecnológicos, todavía es imposible predecir cuándo se derrumbará, como el reciente en Graubünden, o se producirán terremotos y cómo evolucionarán exactamente. Esto se debe en parte al hecho de que, a pesar de muchos años de investigación, Los científicos apenas han comenzado a comprender el comportamiento de la grava y la arena, particularmente cuando se mezcla con agua o gases.

Un equipo de investigadores dirigido por Christoph Müller en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos de la ETH de Zúrich y Klaas Prüssmann en el Instituto de Ingeniería Biomédica de la ETH y la Universidad de Zúrich, junto con colegas de la Universidad de Osaka en Japón, Ahora hemos desarrollado una nueva técnica que podría facilitar mucho el estudio de tales fenómenos en el futuro. Por tanto, muchos fenómenos y catástrofes naturales podrían entenderse mejor y predecirse con mayor facilidad.

Polvos y granos en la industria química

Los sistemas granulares, un término genérico para cualquier cosa que se parezca a granos o polvos, juegan un papel fundamental no solo en la naturaleza. Son igualmente importantes en aplicaciones prácticas, como la industria química, donde tres cuartas partes de las materias primas son sustancias granulares. Un problema frecuente al que se enfrenta la industria química es que los flujos de producción pueden interrumpirse, por ejemplo, por atasco o desmezclado imprevisto y mal entendido de los materiales granulares usados.

"Incluso un pequeño aumento en la eficiencia de los procesos de producción a través de un mejor conocimiento permitiría ahorrar mucha energía", explica Alexander Penn, estudiante de doctorado en el grupo de Müller y Prüssmann. Sin embargo, al intentar entender lo que pasa, por ejemplo, cuando diferentes partículas se mezclan o se hacen interactuar con gases en los llamados lechos fluidizados, uno se enfrenta a un problema grave:los sistemas granulares son opacos, lo que hace que sea muy difícil aprender algo sobre la distribución espacial exacta y el movimiento de las partículas.

La tecnología médica ayuda a los estudios de sistemas granulares

Para superar este obstáculo, Los científicos han reintroducido una tecnología en la investigación de la física que, hoy en día, se utiliza principalmente en medicina:resonancia magnética (MRI), lo cual es bien conocido por el estrecho tubo que necesitan los pacientes para ser examinados. La resonancia magnética usa ondas de radio y campos magnéticos fuertes para alinear primero los momentos magnéticos de ciertos núcleos atómicos dentro de un tejido o material (estos pueden visualizarse como pequeñas agujas de brújula).

Después de eso, los núcleos atómicos pierden su alineación, y al hacerlo, ellos mismos emiten ondas de radio que pueden medirse. Finalmente, los resultados de esas mediciones se utilizan para crear una imagen tridimensional de las posiciones de los núcleos atómicos en el material. En sus nuevos experimentos, publicado recientemente en la revista científica Avances de la ciencia , los investigadores de ETH agregaron varias antenas de radio a un dispositivo de resonancia magnética comercial y analizaron las mediciones utilizando un software especial. Esto les permitió medir la dinámica interna de los sistemas granulares diez mil veces más rápido de lo que había sido posible antes.

Para ese propósito, Los científicos desarrollaron partículas especiales que consistían en una gota de aceite cubierta de agar de un milímetro de diámetro que producía una señal de resonancia magnética particularmente grande y sostenida. Ellos los usaron, entre otras cosas, para estudiar qué sucede cuando un gas fluye a través de sistemas granulares. El flujo de gas hace que el medio granular, que suele ser sólido, comportarse como un fluido. En tales sistemas granulares "fluidizados" pueden elevarse burbujas de gas, dividirse o fusionarse.

Hasta ahora, era imposible estudiar tales burbujas en tiempo real. La nueva técnica de medición desarrollada por los científicos de Zurich permite tomar fotografías del interior de la materia granular con una resolución temporal de menos de una centésima de segundo. Es más, un análisis inteligente de las señales de resonancia magnética permite medir las velocidades de las partículas individuales y, por lo tanto, para obtener información adicional sobre la dinámica de esos sistemas complejos.

Aplicaciones en captura de carbono

Existen numerosas aplicaciones posibles del conocimiento obtenido con la nueva técnica. Los investigadores están planeando, por ejemplo, para probar cuidadosamente los modelos teóricos existentes para sistemas granulares y, donde sea necesario, para mejorarlos. Entre los modelos a probar se encuentran la desmezcla espontánea de mezclas granulares de partículas de diferentes tamaños, que puede dar lugar a problemas en aplicaciones industriales, así como el "bloqueo" espontáneo de los sistemas fluidos. Formación de burbujas en sistemas granulares expuestos a flujos de gas, por otra parte, es importante para procedimientos en los que se supone que un gas reacciona lo más fuerte posible con las partículas de catalizador. Se utilizan tales procedimientos, por ejemplo, en la captura de dióxido de carbono, que en el futuro podría utilizarse para contrarrestar el cambio climático. Una mejor comprensión de los procesos físicos involucrados podría conducir a una mayor eficiencia y ahorros de energía considerables.