Los físicos de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) han demostrado que los empaquetamientos aleatorios de discos del mismo tamaño entre paredes paralelas siempre forman una estructura periódica, independientemente del ancho del contenedor. Los resultados, que debería ayudar a los científicos a comprender mejor las propiedades de empaque de las micropartículas, ahora se han publicado en la reconocida revista Cartas de revisión física .
La gente se ha preguntado qué patrones deberían usarse para empacar objetos con la mayor densidad en contenedores durante varios siglos. Ya en 1611, Johannes Kepler sugirió que ninguna disposición de esferas del mismo tamaño tenía una densidad mayor que las capas desplazadas en celosías hexagonales. Mientras que los empaques de esferas vertidos al azar en una caja tienen una densidad media de alrededor del 65 por ciento, se puede lograr una densidad de alrededor del 74 por ciento con la estructura periódica del empaque hexagonal. La teoría de Kepler finalmente se demostró en 2014 mediante el uso de complejas simulaciones por computadora.
Junto con colegas de Brasil y EE. UU., Los físicos de FAU ahora han descubierto que cuando las esferas se vierten al azar en un recipiente, siempre forman una estructura periódica. Pudieron confirmar esto con experimentos bidimensionales. En una serie de simulaciones por computadora, los investigadores vertieron hasta 10 millones de discos del mismo tamaño desde varias posiciones en un recipiente rectangular abierto. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que se formó una estructura periódica durante cada una de las simulaciones. "En nuestro caso, periódico significa que hay equivalentes para cada partícula que se repiten en la misma posición en el eje x a intervalos regulares, "explica el Prof. Dr. Thorsten Pöschel del Instituto de Simulación Multiescala de Sistemas de Partículas en FAU. El patrón de discos y vacíos que se forma continúa hacia arriba de manera uniforme con un promedio de cuatro contactos por disco.
Sin embargo, estos patrones periódicos no se forman inmediatamente. Inicialmente, hay una fase desordenada que se caracteriza principalmente por espacios más grandes o por grupos de discos que tienen más o menos de cuatro contactos. Aunque el nivel de llenado en el que los discos forman una estructura periódica puede variar mucho entre contenedores del mismo ancho, este nivel medio aumenta cuando aumenta la distancia entre las paredes del contenedor. O, para decirlo de otra manera, cuanto más ancho es el canal, se deben verter más capas hasta que los discos formen patrones periódicos. Esto se debe a que hay más formas de que los discos se coloquen en posiciones desordenadas al comienzo del proceso de llenado, y esto continúa hacia arriba en significativamente más capas que en contenedores estrechos. Pero independientemente del ancho del contenedor, los investigadores pudieron demostrar que la probabilidad de que un canal aún no sea periódico disminuye exponencialmente al aumentar el nivel de llenado.
Los hallazgos deberían ayudar a aumentar la comprensión de las propiedades de empaquetamiento de micropartículas monodispersas y polidispersas. Empaquetar partículas lo más densamente posible es la clave para varias aplicaciones prácticas, por ejemplo, para minimizar la porosidad del material durante los procesos de impresión 3D y otros métodos de fabricación aditiva, aumentando así la resistencia de nuevos materiales.
Los resultados del proyecto ya se han publicado en Cartas de revisión física , titulado "Inicio sistemático de patrones periódicos en paquetes de discos aleatorios".
