Comprender la dinámica de los materiales granulares, como la arena que fluye a través de un reloj de arena o la sal que se vierte a través de un agitador, es un problema importante sin resolver en física. Un nuevo artículo describe un patrón de cómo los eventos de "sacudidas" del tamaño de un récord afectan la dinámica de un material granular a medida que pasa de un estado excitado a uno relajado, añadiendo evidencia de que una teoría unificadora subyace a este comportamiento.

los procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ) publicó el trabajo de Stefan Boettcher, un físico teórico de Emory, y Paula Gago, experto en modelado de la mecánica estadística de la materia granular en el Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Tierra del Imperial College de Londres.

"Nuestro trabajo marca otro pequeño paso adelante para describir el comportamiento de los materiales granulares de manera uniforme, "dice Boettcher, profesor y presidente del Departamento de Física de Emory.

"Un conocimiento completo de los materiales granulares podría tener un gran impacto en una variedad de industrias, ", agrega." Por nombrar solo algunos ejemplos, es relevante para la compactación de gránulos en gránulos para hacer píldoras, el procesamiento de granos en la agricultura y para predecir comportamientos de todo tipo de materia geofísica involucrada en la ingeniería civil ".

Los materiales granulares son sistemas desordenados que a menudo se encuentran en un estado lejos del equilibrio. Los ejemplos incluyen todo, desde arena, granos de arroz y café a rodamientos de bolas.

"Son una especie de 'bolas extrañas' de materia porque se comportan de manera diferente a los sólidos, líquidos y gases, "Dice Boettcher.

Mientras que las fases del agua, por ejemplo, se puede describir fácilmente como un líquido, sólido o gas, dependiendo de las temperaturas específicas, la termodinámica de los sistemas que no están en equilibrio no está bien definida. Una complicación importante es el hecho de que las partículas individuales en la mayoría de los materiales granulares tienen diferentes, propiedades distintas y ejercen fuerzas de fricción entre sí. Y los cambios de temperatura no producen un movimiento significativo en ellos. La gravedad complica aún más el comportamiento de los materiales granulares, ya que afecta la densidad de diferentes capas en un sistema de partículas.

En 1997, Los investigadores desarrollaron una forma de agitar materiales granulares de forma controlable para una serie de experimentos en lo que se conoce como la "pila de Chicago". Llenaron un vaso de precipitados de vidrio con perlas de vidrio del tamaño de una micra y "golpearon" el material hacia arriba con una amplitud específica. Luego pudieron medir la densidad resultante del material en el vaso de precipitados en función de la fuerza de los grifos, o la energía que pulsa a través del sistema.

Boettcher y su colaborador querían obtener una comprensión a nivel molecular de la dinámica de compactación de una pila granular mediante el análisis de simulaciones por computadora. Estaban particularmente interesados ​​en comparar la densidad de una pila granular en un estado excitado y relajado para buscar patrones.

Inspirado en los experimentos de pilotes de Chicago, los investigadores ejecutaron simulaciones por computadora basadas en 60, 000 esferas, de 1 a 1,02 micrómetros de diámetro, contenido en un cilindro vertical de 2,4 centímetros de diámetro. El cilindro se golpea a través de pulsos de energía ajustados a amplitudes precisas. La tecnología permite a los investigadores medir la densidad de la pila local y globalmente al rastrear el número cambiante de partículas vecinas que toca cada partícula individual.

Las simulaciones mostraron que cuando una serie de golpes tienen exactamente la misma fuerza, la densidad del pilote aumenta cada vez más lentamente, o logarítmicamente. A medida que los toques continúan con el tiempo, cada vez más grande, Se requieren cambios récord en la disposición de los granos para aumentar la densidad de la pila. Estas fluctuaciones de tamaño récord son cada vez más difíciles de lograr, explicando las lentas ganancias en densidad.

"Puedes pensar en ello como un vaso de precipitados lleno de arena suelta, "Explica Boettcher." Al principio hay grandes agujeros entre los granos. Entonces, inicialmente, es fácil que un grano cambie de posición al caer en un espacio vacío. Pero a medida que estos espacios comienzan a hacerse más pequeños, es menos probable que un grano pueda caer a través de uno. Mientras continúan los grifos, se necesitan eventos cada vez más cooperativos para crear el espacio necesario para una mayor compactación ".

Investigaciones anteriores han mostrado un patrón estadístico similar para el comportamiento de los sólidos amorfos que no forman cristales ordenados cuando se mueven de un estado líquido a un sólido. como el vidrio y muchos polímeros.

"Eso sugiere que este patrón puede ser una pieza del rompecabezas para encontrar una forma sistemática de describir los materiales que están fuera de equilibrio, "Dice Boettcher.

Los investigadores ahora están profundizando en la cuestión de si la energía cinética de los grifos puede ser equivalente a la forma en que se usa la temperatura para describir materiales en la física clásica.