La arena es un material fascinante. Puede fluir y verterse como un líquido, pero conserva muchas de las propiedades de los sólidos, obstruyendo tuberías o formando dunas de arena. El comportamiento de las colecciones de partículas pequeñas como la arena se conoce como física granular, y es un campo inmensamente importante para el manejo y transporte de la amplia gama de materiales granulares que existen como granos, arroz, polvos y las grandes cantidades de arena utilizadas en la industria de la construcción.

Un enigma clave de esta rama de la física son los números involucrados. Los granos interactúan de forma simple, Mecánica newtoniana, pero debido a que muchas partículas interactúan a la vez, Existe una complejidad emergente del comportamiento del flujo que aún no puede explicarse mediante ecuaciones simples. Por lo tanto, los científicos no solo buscan mejores modelos teóricos para explicar el comportamiento granular, pero convenientes "sistemas modelo" que pueden manipularse y ajustarse en el laboratorio para dar una idea de cómo la estructura microscópica de los materiales granulares da lugar a sus propiedades macroscópicas.

Un equipo dirigido por la profesora asistente Marie Tani y la profesora Rei Kurita de la Universidad Metropolitana de Tokio ha estudiado las propiedades de las mezclas de "arena mágica, "un juguete popular para niños, y arena normal. Se encontró que las partículas de arena recubiertas de silicona interactúan solo entre sí y no con otras partículas de arena. El equipo descubrió que agregar arena recubierta de silicona más allá de un cierto umbral conduce a un cambio abrupto en el agrupamiento y la rigidez. una forma potencial de ajustar el flujo de materiales granulares para la industria.

Los investigadores han estado estudiando qué le sucede a la arena cuando se moja. Es bien sabido que la arena de la playa, por ejemplo, se comporta de manera completamente diferente; Los castillos de arena son difíciles de construir cuando la arena está seca. Este comportamiento se debe en gran parte a la formación de "puentes" de líquido entre partículas, conocidos como puentes capilares, uniendo fuertemente los granos para formar estructuras portantes. Sin embargo, La arena húmeda homogénea es muy difícil de preparar en el laboratorio; es difícil de mezclar uniformemente y se seca muy rápido.

Para superar este problema, los investigadores utilizaron "arena mágica, "partículas de arena hidrofóbicas recubiertas de aceite de silicona, comúnmente disponible en juguetes para niños. El equipo descubrió que los granos de "arena mágica" no solo se atraen fuertemente entre sí a través de finas hebras de aceite, pero no interactúa con la arena normal, simplemente chocando con él como granos secos. Mezclando "arena mágica" y arena normal en diferentes proporciones, el equipo pudo estudiar libremente cómo se comporta la arena húmeda hasta en las fracciones líquidas más pequeñas, donde solo algunos granos están conectados a través de puentes capilares.

Utilizando tres métodos independientes que implican el tamizado, midiendo la densidad y formando montículos estables de arena, encontraron que las propiedades mecánicas de la mezcla cambian drásticamente cuando la fracción de arena mágica a arena normal excede el 20%. Esto estuvo de acuerdo con los hallazgos de la teoría de la percolación, que gobierna cómo las conexiones entre partículas atraviesan el espacio sin roturas, dejar que la mezcla de arena se comporte de una manera significativamente más sólida y soporte su propio peso. Este comportamiento es conocido para los geles poliméricos, y ayuda a unificar enfoques teóricos aplicados a materiales completamente diferentes.

Las mezclas del equipo también exhiben propiedades mecánicas que pueden modificarse fácilmente. En tono rimbombante, el método proporciona una nueva, conveniente, forma precisa e informativa de explorar la física granular, y puede convertirse en la nueva opción predeterminada para los científicos en futuras investigaciones.