Apri la parte superiore di una lattina di noci miste e, le possibilità sono, Le noci del Brasile saranno in cima. Questo fenomeno, di particelle grandi che tendono a salire verso l'alto degli impasti mentre le particelle piccole tendono ad affondare, è popolarmente noto come "effetto noce del Brasile" e più tecnicamente come segregazione granulare.

Guarda in basso la parte superiore di un alveo ed è facile tracciare un parallelo:la parte superiore di un alveo è tipicamente fiancheggiata da ciottoli più grandi, mentre sabbia più fine e piccole particelle di ghiaia costituiscono gli strati più profondi.

I fisici interessati al movimento delle particelle hanno riflettuto molto sulla meccanica con cui le particelle si ordinano in questi tipi di scenari, ma quella ricerca non è stata tradotta in scienze della terra fino ad ora. In un nuovo studio, i geofisici dell'Università della Pennsylvania hanno scoperto che la segregazione granulare aiuta a spiegare la tendenza dei letti dei fiumi a essere rivestiti da, o "corazzato" con, uno strato di particelle relativamente più grandi.

Pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , i risultati migliorano la comprensione di come si formano gli alvei dei fiumi, con implicazioni sul modo in cui i fiumi possono anche erodere. Ma la ricerca fa anche nuove intuizioni sulla fisica fondamentale della segregazione delle particelle, che si applicano a tutti i tipi di materiali granulari, da alvei e suoli a sostanze industriali e farmaceutiche.

"C'è stato questo fenomeno di segregazione granulare che è stato studiato per decenni, " ha detto Douglas J. Jerolmack, professore associato presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente della Penn's School of Arts and Sciences, "e poi c'è questa spiegazione separata di geologi e ingegneri sul perché i letti dei fiumi hanno uno strato grossolano sulla superficie, e i due non si erano mai incontrati prima. Il nostro contributo principale qui sta davvero prendendo la comprensione della fisica granulare della segregazione delle particelle - come le particelle grandi si segregano e si muovono verso la superficie - e introdurla al problema del fiume".

Jerolmack ha collaborato al lavoro con i ricercatori post-dottorato Behrooz Ferdowsi, ora alla Princeton University; Carlos P. Ortiz, ora in Deloitte Consulting; e Morgane Houssais, ora alla City University di New York. L'armatura del letto dei fiumi è vista quasi universalmente ed è intesa come un modo in cui i fiumi prevengono l'erosione eccessiva.

"Chiamiamo questa armatura perché le particelle più grandi sono come un'armatura che protegge il letto del fiume sottostante dall'erosione, " disse Jerolmack. "Se ci sono grandi ciottoli che fiancheggiano il letto del fiume, allora avrò bisogno di una grande inondazione per spostarli."

I geologi hanno generalmente pensato che la meccanica dei fluidi controlla questo schema. L'acqua del fiume laverebbe via le particelle più fini, lasciando indietro le particelle più grandi.

Ma il team guidato da Penn ha riconosciuto che questa spiegazione non riusciva a concepire il letto del fiume come un sistema granulare, che sarebbe anche soggetto all'effetto noce del Brasile, non solo la forza di taglio dell'acqua.

Per vedere se la segregazione granulare si applicava in un sistema fluido, i ricercatori si sono rivolti a un laboratorio che sostituisce un fiume:un canale a forma di ciambella pieno di particelle sferiche grandi e piccole. Il coperchio del canale spinge il fluido sopra le particelle, replicare il flusso di un fiume.

Come avevano dimostrato in uno studio precedente, le particelle si muovono lungo il letto del fiume con due meccanismi:quelle in alto sono spinte dal flusso di liquido, mentre quelle più profonde si insinuano lentamente a causa dell'interazione tra le particelle.

Nel nuovo lavoro, il team di Penn voleva capire come queste particelle si muovessero non solo orizzontalmente ma anche verticalmente nel letto.

Usando il loro canale personalizzato e il fluido incorporato con un colorante fluorescente, Jerolmack e colleghi sono stati in grado di scansionare l'intera profondità del canale e visualizzare l'intero piano di particelle, anche quelli sepolti sotto diverse dozzine di altre particelle.

"È quasi come fare una radiografia del nostro campione granulare ma con un laser e delle fotografie, " disse Jerolmack.

Con l'aiuto di un programma software, sono stati quindi in grado di tracciare le posizioni orizzontali e verticali di tutte queste particelle nel tempo. E hanno visto l'effetto noce del Brasile in azione.

"In questo esperimento di laboratorio di un fiume molto semplificato, "Jerolmack ha detto, "abbiamo visto che quando abbiamo un liquido che spinge i grani sul letto del fiume, quei grani spingono i grani sotto di loro che spingono i grani che sono sotto di loro e così via, e crea questo movimento di spinta che consente alle particelle di grandi dimensioni di galleggiare. Quindi abbiamo confermato che questo comportamento generale che si osserva nei sistemi granulari sembra verificarsi anche nei fiumi".

Un'altra importante scoperta, confermato da simulazioni al computer che tengono conto dell'attrito sentito da ciascuna particella nel letto del fiume, era che questa segregazione delle particelle per dimensione si svolgeva in due fasi. Nel primo, le particelle più grandi vicino alla superficie del letto del fiume si sono alzate, mentre quelli stipati nelle parti più profonde del letto sembravano rimanere quasi immobili. Ma in una seconda fase, questi striscianti, i grani più profondi cominciarono a smistarsi, i più grandi di tanto in tanto vengono risucchiati dalle particelle che scorrono più velocemente verso la parte superiore del letto del fiume e spingono verso l'alto.

"Fondamentalmente nessuno era andato a vedere se i materiali granulari estremamente lenti contribuissero alla segregazione, " ha detto Jerolmack. "L'osservazione che abbiamo visto accadere la segregazione, che particelle grossolane si alzavano da questo strato strisciante, è nuovo di zecca per la scienza e ha anche ogni sorta di implicazioni. Potrebbe spiegare come vediamo la segregazione accadere in luoghi che si muovono lentamente come i terreni su una collina, dove tendiamo a trovare particelle grossolane in superficie, nonostante non ci sia alcuna forza fluida che si muove su di loro."

I ricercatori hanno trovato difficile prevedere quando i fiumi si erodono, o quando i pendii si dissolvono in frane, e questi risultati possono aiutare a spiegare perché queste previsioni si sono rivelate così sfuggenti.

"Lavoriamo su questi problemi da 100 anni, e non possiamo ancora prevedere con molta certezza quale forza fluida causerà l'erosione dei grani, " Jerolmack ha detto. "E quel punto cambia nel tempo. Progetti di ingegneria fluviale, ponti ed edifici si basano tutti su stime della soglia di erosione. Penso che dobbiamo ricominciare da zero con una nuova struttura che incorpori la fisica granulare".

Sebbene questi esperimenti e simulazioni non possano fornire una replica esatta per le complesse condizioni osservate nei fiumi, come turbolenze, Jerolmack osserva che i risultati indicano la necessità di integrare le scienze della terra con la ricerca fisica fondamentale per far progredire la conoscenza in entrambe le sfere.

"La nostra incapacità di prevedere quando si verificherà l'erosione, la nostra incapacità di prevedere quando un lento, un mucchio di terra trasudante su una collina diventerà improvvisamente una frana, è perché ci troviamo di fronte al nostro limite della comprensione fondamentale di come si comportano i materiali disordinati, " ha detto Jerolmack. "Dobbiamo far progredire la nostra comprensione della fisica fondamentale dei materiali disordinati per avere qualche possibilità di fare previsioni nel regno dei materiali della terra. E questo è un problema in cui penso che abbiamo iniziato a farlo.

"Penn è il posto ideale per farlo, " ha detto. "Qui ci sono un gran numero di fisici e ingegneri con una visione ampia e interdisciplinare della scienza dei materiali. Le collaborazioni facilitate dal Materials Research Science and Engineering Center hanno reso possibile questo tipo di lavoro".