Immergere un tubo in un contenitore pieno d'acqua farà salire l'acqua nel tubo. Questo fenomeno è chiamato capillarità liquida. È responsabile di molti processi naturali e tecnici, ad esempio l'assorbimento d'acqua degli alberi, inchiostro che sale in una penna stilografica, e spugne che assorbono l'acqua dei piatti. Ma cosa succede se il tubo viene immerso in un contenitore riempito non di acqua ma di sabbia? La risposta è:niente. Però, se il tubo viene scosso su e giù, anche la sabbia comincerà a salire. Gli scienziati hanno ora scoperto il meccanismo alla base di questo effetto, il cosiddetto effetto capillare granulare.

Dr Eric J. R. Parteli del Dipartimento di Geoscienze dell'Università di Colonia, Professor Fengxian Fan dell'Università di Shanghai per la scienza e la tecnologia, e il professor Thorsten Pöschel della Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg hanno ora pubblicato i risultati del loro studio "Origin of Granular Capillarity Revealed by Particle-Based Simulations" in Lettere di revisione fisica .

La capillarità del liquido risulta dall'interazione di diverse forze molecolari:l'attrazione tra le molecole del liquido lo tiene insieme mentre l'attrazione tra le molecole e il tubo spinge il liquido verso l'alto. Questa spiegazione preclude il verificarsi della capillarità per la sabbia perché i granelli di sabbia sono molto più grandi delle loro molecole costituenti che le forze intermolecolari possono essere tranquillamente trascurate rispetto alla gravità e all'inerzia dei grani. Però, sorprendentemente, la capillarità granulare è stata osservata in esperimenti di laboratorio in cui il materiale granulare è stato sottoposto ad una minuscola vibrazione verticale di pochi diametri di grano in ampiezza e frequenza di pochi Hertz. L'origine di questo effetto capillare granulare era un mistero di lunga data che il team internazionale di scienziati è riuscito a svelare.

Hanno studiato il problema utilizzando un metodo di simulazione numerica basato su particelle chiamato Discrete Element Method. In questo metodo, la traiettoria di ogni singolo grano viene calcolata risolvendo numericamente le equazioni di Newton del moto traslatorio e rotatorio dovute alle forze che agiscono su ciascun grano. Per mezzo di un tale esperimento numerico, è così possibile tracciare la traiettoria e la velocità di tutti i grani, compresi quei grani che si trovano in profondità all'interno della massa granulare, difficili da valutare in laboratorio.

Il team di ricerca ha osservato nelle loro simulazioni che ciò che fa salire la colonna di sabbia nel tubo è un movimento convettivo dei granelli di sabbia all'interno del recipiente che è inerente ai materiali granulari sottoposti a vibrazioni verticali. Questo flusso convettivo provoca il trasporto di massa laterale all'interno dell'imballaggio granulare vibrante, che porta ad una pressione verso l'alto sulla base della colonna granulare nel tubo, ecco perché la colonna sale. Gli scienziati hanno scoperto che la velocità e la distanza con cui sale la colonna dipende dalle dimensioni del tubo. Sorprendentemente, le simulazioni hanno mostrato che l'altezza del menisco granulare (l'altezza del capillare che la colonna granulare raggiunge dopo lungo tempo) è proporzionale all'inverso della dimensione del tubo. Questo è esattamente lo stesso comportamento della capillarità liquida, sebbene le forze trainanti nei due sistemi siano molto diverse.

I fisici hanno mostrato nel loro studio che lo stesso effetto capillare può essere prodotto agitando il tubo invece del contenitore, che apre promettenti applicazioni nei settori della movimentazione e dei trasporti. Per esempio, le particelle potrebbero essere pompate da contenitori molto grandi semplicemente usando la capillarità granulare. Ora stanno studiando il processo in modo più approfondito per comprendere l'effetto del sistema e della geometria delle particelle.