Sistemi granulari come ghiaia o polveri si trovano ovunque, ma studiarli non è facile. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora sviluppato un metodo con il quale è possibile scattare immagini dell'interno dei sistemi granulari diecimila volte più velocemente di prima.

Anche nel nostro mondo moderno pieno di macchine e dispositivi altamente tecnologici è ancora impossibile prevedere quando frane, come quello recente nei Grigioni, o terremoti si verificheranno e come si evolvono esattamente. Ciò è in parte dovuto al fatto che, nonostante molti anni di ricerca, gli scienziati hanno appena iniziato a capire il comportamento della ghiaia e della sabbia, particolarmente se miscelato con acqua o gas.

Un team di ricercatori guidati da Christoph Müller presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e di processo dell'ETH di Zurigo e Klaas Prüssmann presso l'Istituto di ingegneria biomedica dell'ETH e dell'Università di Zurigo, insieme ai colleghi dell'Università di Osaka in Giappone, hanno ora sviluppato una nuova tecnica che potrebbe rendere molto più facile lo studio di tali fenomeni in futuro. Molti fenomeni naturali e catastrofi naturali potrebbero così essere meglio compresi e previsti più facilmente.

Polveri e grani nell'industria chimica

I sistemi granulari - un termine generico per qualsiasi cosa che assomigli a grani o polveri - svolgono un ruolo fondamentale non solo in natura. Sono ugualmente importanti nelle applicazioni pratiche, come l'industria chimica, dove tre quarti delle materie prime sono sostanze granulari. Un problema frequente nell'industria chimica è che i flussi di produzione possono essere interrotti, ad esempio, da inceppamenti o demescolamenti imprevisti e poco comprensibili dei materiali granulari utilizzati.

"Anche un piccolo aumento dell'efficienza dei processi produttivi attraverso una migliore conoscenza permetterebbe di risparmiare molta energia", spiega Alexander Penn, uno studente di dottorato nel gruppo di Müller e Prüssmann. Però, quando si cerca di capire cosa succede, ad esempio, quando particelle diverse vengono mescolate insieme o fatte interagire con i gas nei cosiddetti letti fluidizzati, si affronta un problema serio:i sistemi granulari sono opachi, il che rende molto difficile apprendere qualcosa sull'esatta distribuzione spaziale e sul movimento delle particelle.

La tecnologia medica aiuta gli studi sui sistemi granulari

Per superare questo ostacolo, gli scienziati hanno reintrodotto una tecnologia nella ricerca fisica che, al giorno d'oggi, è utilizzato principalmente in medicina:risonanza magnetica (MRI), che è ben noto per il tubo stretto in cui i pazienti devono entrare per essere esaminati. La risonanza magnetica utilizza onde radio e forti campi magnetici per allineare prima i momenti magnetici di alcuni nuclei atomici all'interno di un tessuto o materiale (questi possono essere visualizzati come minuscoli aghi di bussola).

Successivamente, i nuclei atomici perdono il loro allineamento, e così facendo, essi stessi emettono onde radio misurabili. Finalmente, i risultati di tali misurazioni vengono utilizzati per creare un'immagine tridimensionale delle posizioni dei nuclei atomici nel materiale. Nei loro nuovi esperimenti, recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Progressi scientifici , i ricercatori dell'ETH hanno aggiunto una serie di antenne radio a un dispositivo MRI commerciale e hanno analizzato le misurazioni utilizzando un software speciale. Ciò ha permesso loro di misurare la dinamica interna dei sistemi granulari diecimila volte più velocemente di quanto fosse possibile prima.

Per quello scopo, gli scienziati hanno sviluppato particelle speciali costituite da una gocciolina d'olio ricoperta di agar del diametro di un millimetro che ha prodotto un segnale di risonanza magnetica particolarmente grande e sostenuto. li hanno usati, tra le altre cose, studiare cosa succede quando un gas scorre attraverso sistemi granulari. Il flusso di gas provoca il mezzo granulare, che di solito è solido, comportarsi come un fluido. In tali sistemi granulari "fluidificati" possono salire bolle di gas, dividersi o fondersi.

Fino ad ora, era impossibile studiare tali bolle in tempo reale. La nuova tecnica di misurazione sviluppata dagli scienziati zurighesi consente di fotografare l'interno della materia granulare con una risoluzione temporale inferiore al centesimo di secondo. Inoltre, un'intelligente analisi dei segnali di risonanza magnetica permette di misurare le velocità delle singole particelle e, così, ottenere ulteriori informazioni sulla dinamica di tali sistemi complessi.

Applicazioni nella cattura del carbonio

Numerose sono le possibili applicazioni delle conoscenze ottenute con la nuova tecnica. I ricercatori stanno pianificando, ad esempio, testare attentamente i modelli teorici esistenti per i sistemi granulari e, dove necessario, per migliorarli. Tra i modelli da testare vi sono la smiscelazione spontanea di miscele granulari di particelle di diverse dimensioni, che possono portare a problemi nelle applicazioni industriali, così come il "jamming" spontaneo di sistemi fluenti. Formazione di bolle in sistemi granulari esposti a flussi di gas, d'altra parte, è importante per le procedure in cui si suppone che un gas reagisca il più fortemente possibile con le particelle di catalizzatore. Tali procedure sono utilizzate, Per esempio, nella cattura dell'anidride carbonica, che in futuro potrebbe essere utilizzato per contrastare il cambiamento climatico. Una migliore comprensione dei processi fisici coinvolti potrebbe portare a una maggiore efficienza e notevoli risparmi energetici.