El flujo de materiales granulares, como arena y partículas catalíticas utilizadas en reactores químicos, explica una amplia gama de fenómenos naturales, de deslizamientos de tierra a volcanes, y permite una amplia gama de procesos industriales, desde la producción farmacéutica hasta la captura de carbono. Si bien el movimiento y la mezcla de materia granular a menudo muestran sorprendentes similitudes con los líquidos, como en dunas de arena en movimiento, avalanchas y arenas movedizas, la física subyacente a los flujos granulares no se comprende tan bien como los flujos líquidos.

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 de Ciencias de la Energía y la Ingeniería Christoph Müller en ETH Zurich, El equipo de Boyce observó una inestabilidad inesperada similar a Rayleigh-Taylor (R-T) en la que los granos más livianos se elevan a través de los granos más pesados ​​en forma de "dedos" y "burbujas granulares". Inestabilidades R-T, que se producen por las interacciones de dos fluidos de diferentes densidades que no se mezclan:aceite y agua, por ejemplo, debido a que el líquido para encendedores empuja a un lado al más pesado, no se han visto entre dos materiales granulares secos.

El estudio, publicado hoy en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , es el primero en demostrar que se forman "burbujas" de arena más clara 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 hacia arriba, similar a las burbujas que se forman y se elevan 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 livianas que el agua y no quieren mezclarse con ella, las burbujas de arena ligera se elevan a través de la arena más pesada a pesar de que a 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 importantes. Si bien se han descubierto análogos de las otras inestabilidades importantes en los flujos granulares en las últimas décadas, la inestabilidad R-T ha eludido la comparación directa. Nuestros hallazgos no solo pudieron explicar las formaciones y procesos geológicos que subyacen a los depósitos minerales, pero también podría usarse en tecnologías de procesamiento de polvo en la energía, construcción, y las industrias farmacéutica ".

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

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

"Estas inestabilidades, que se puede aplicar a una variedad de sistemas, arrojar nueva luz sobre la dinámica granular y sugerir nuevas oportunidades para modelar dentro de mezclas granulares para formar nuevos productos en la industria farmacéutica, por ejemplo, Boyce agrega. "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 estructurados y similares a líquidos en partículas de arena y cuantificando su comportamiento. También está en conversaciones con geólogos y vulcanólogos para explorar más sobre cómo este proceso y otros similares ocurren en el mundo natural.