Succede fuori dalla finestra ogni volta che piove:il terreno si bagna e può formare fango appiccicoso. Poi si asciuga. Più tardi potrebbe piovere di nuovo. Ogni bagnatura e riumidificazione influisce sulla struttura e sulla stabilità del suolo. Questi cambiamenti sono presi in considerazione quando, Per esempio, architetti e ingegneri progettano, posto, e costruire edifici. Ma più in generale, la scienza di come le particelle si uniscono e poi si separano tocca campi diversi come i pericoli naturali, fertilizzazione delle colture, produzione di cemento, e design farmaceutico.

Unendo questi campi disparati, un team dell'Università della Pennsylvania ha scoperto che quando le particelle sono bagnate e poi lasciate asciugare, la dimensione di queste particelle ha molto a che fare con la forza con cui si uniscono e se rimangono insieme o si disgregano la prossima volta che vengono bagnate.

Ciò che conferisce forza a questi aggregati appiccicosi, la squadra ha trovato, sono sottili ponti che si formano quando le particelle del materiale vengono sospese in un liquido e poi lasciate asciugare, lasciando sottili filamenti di particelle che collegano gruppi più grandi. I fili, che i ricercatori chiamano ponti solidi, aumentare la stabilità degli aggregati da 10 a 100 volte.

I ricercatori hanno riportato i loro risultati sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Questo solido fenomeno di collegamento può essere onnipresente e importante per comprendere la forza e l'erodibilità dei suoli naturali, "dice Paolo Arratia, un ingegnere di meccanica dei fluidi presso la Penn's School of Engineering and Applied Science, e coautore dello studio.

"Abbiamo scoperto che la dimensione di una particella può superare il contributo delle sue proprietà chimiche quando si tratta di determinare quanto fortemente si attacchi ad altre particelle, " aggiunge Douglas Jerolmack, un geofisico presso la School of Arts and Sciences e l'autore corrispondente del documento.

Il gruppo di ricerca è stato guidato da Ali Seiphoori, ex postdoc nel laboratorio di Jerolmack e ora al MIT, e includeva il postdoc in fisica Xiao-guang Ma. L'attuale lavoro è scaturito dalle indagini che stavano portando avanti in collaborazione con la Perelman School of Medicine di Penn sull'amianto, in particolare come le sue fibre aghiformi si attaccano l'una all'altra e ad altri materiali per formare aggregati. Ciò li ha portati a pensare più in generale a ciò che determina la forza e la stabilità di un aggregato.

Il gruppo ha adottato un approccio sperimentale per rispondere a questa domanda creando un semplice modello di aggregazione delle particelle. Sospendevano sfere di vetro di due dimensioni, 3 micron e 20 micron, in una goccia d'acqua. (Per riferimento, un capello umano ha una larghezza di circa 50-100 micron.) Quando l'acqua evapora, i bordi della goccia si ritirarono, trascinando le particelle verso l'interno. Alla fine la goccia d'acqua che si restringe si è trasformata in più goccioline più piccole collegate da un sottile ponte d'acqua, noto come ponte capillare, prima che anche questo evaporasse.

Il team ha scoperto che le pressioni di aspirazione estreme causate dall'evaporazione hanno unito le piccole particelle così strettamente che si sono fuse insieme nei ponti capillari, lasciando solidi ponti tra le particelle più grandi, a cui si sono anche legati, una volta che l'acqua è completamente evaporata.

Quando il team ha riumidificato le particelle, l'applicazione di acqua in un flusso controllato, hanno scoperto che gli aggregati composti esclusivamente dalle particelle da 20 micron erano molto più facili da disgregare e risospendere rispetto a quelli composti dalle particelle più piccole, o miscele di particelle piccole e più grandi.

"Abbiamo scoperto che se gli aggregati composti da sole particelle più grandi di 5 micron sono stati rewet, sono crollati, " dice Jerolmack. "Ma sotto i 5 micron, non succede niente, gli aggregati erano stabili."

In ulteriori test con miscele di particelle di quattro dimensioni diverse, che imitano più da vicino la composizione naturale del suolo, i ricercatori hanno scoperto che lo stesso effetto ponte si verifica su scale diverse:le particelle più grandi sono state collegate dalla seconda più grande, che sono stati a loro volta colmati dal terzo più grande, che a loro volta erano stabilizzati da ponti di particelle più piccole. Anche le miscele che contenevano solo una piccola frazione di particelle più piccole sono diventate più stabili grazie ai ponti solidi.

Quanto più stabile? Per scoprirlo, Seiphoori ha incollato faticosamente la sonda di un microscopio a forza atomica a una singola particella, lascia che si stabilizzi, e poi quantificato la "forza di strappo" necessaria per rimuovere quella particella dall'aggregato. Ripetendo questo per le particelle in aggregati di particelle grandi e piccole, hanno scoperto che le particelle erano da 10 a 100 volte più difficili da estrarre quando avevano formato una struttura a ponte solida rispetto ad altre configurazioni.

Per convincersi che lo stesso sarebbe stato vero con materiali oltre alle loro perle di vetro sperimentali, hanno eseguito esperimenti simili utilizzando due tipi di argilla che sono entrambi componenti comuni dei terreni naturali. I principali reggevano:le particelle di argilla più piccole e la presenza di ponti solidi rendevano stabili gli aggregati. Ed era vero anche il contrario:quando le particelle di argilla inferiori a 5 micron venivano rimosse dalle sospensioni, i loro aggregati risultanti hanno perso coesione.

"Si pensa che i terreni argillosi siano fondamentalmente coesivi, "dice Jerolmack, "e quella coesione è stata solitamente attribuita alla loro carica o a qualche altra proprietà mineralogica. Ma abbiamo scoperto questa cosa molto sorprendente che non sembrano essere le proprietà fondamentali dell'argilla a renderla appiccicosa, ma piuttosto il fatto che le particelle di argilla tendono ad essere molto piccole. È una nuova spiegazione per la coesione".

Queste nuove intuizioni sul contributo della dimensione delle particelle alla stabilità degli aggregati aprono nuove possibilità per considerare come migliorare la stabilità di materiali come il suolo o il cemento quando lo si desidera. "Potresti immaginare di stabilizzare i terreni prima di un progetto di costruzione aggiungendo particelle più piccole che aiutano a legare insieme il terreno, " dice Jerolmack.

Inoltre, la produzione di una varietà di materiali, dai dispositivi medici ai rivestimenti per schermi LED, si basa sulla deposizione di film sottili, che secondo i ricercatori potrebbe trarre beneficio dalla produzione controllata di aggregati che hanno osservato nei loro esperimenti.