Miscelare i liquidi è facile, o almeno scientificamente inteso:una goccia di colorante alimentare alla fine si mescolerà in una tazza d'acqua per diffusione, e un ciuffo di panna può essere mescolato al caffè con un cucchiaio attraverso quella che viene chiamata miscelazione turbolenta.

Ma cosa succede se il materiale ha le proprietà sia dei liquidi che dei solidi, come nel caso di materiali come il cemento, dipingere, e sabbia? Chiamati materiali da sforzo di snervamento, queste miscele possono sia scorrere come liquidi sia rimanere ferme come solidi.

Comprendere come questi materiali si mescolano ha implicazioni in settori come i prodotti farmaceutici e la produzione di calcestruzzo, ma si sa ancora poco su come mescolarli al meglio.

In un nuovo giornale in Comunicazioni sulla natura , I professori di ingegneria della Northwestern scoprono che la miscelazione di materiali a stress di snervamento crea regioni sia miste che non miste, fornendo un inizio fondamentale per capire come progettare al meglio i protocolli di miscelazione. Giulio M.Ottino, Paul Umbanhowar, e Richard Lueptow sono stati i coautori del documento.

"I fondamenti teorici del flusso di materia granulare sono ancora molto incompleti, " disse Ottino, Walter P. Murphy Professore di ingegneria chimica e biologica. "Abbiamo riscontrato una notevole persistenza dell'ordine in mezzo al caos."

La questione era quanto bene il materiale granulare potesse essere miscelato in un sistema di base:un bicchiere sferico. Il materiale si mescolerebbe come un solido, attraverso un metodo "taglia e mescola" simile a un mazzo di carte? O si mescolerebbe come un liquido viscoso, come miele, attraverso un modello "allungamento e piegatura"?

Per testare questa idea, i ricercatori hanno riempito a metà un bicchiere sferico con perline di vetro di 2 millimetri. Quando ruotato, lo strato superiore di perline scorreva come un fluido fino al fondo della sfera, mentre le altre perline sono rimaste al loro posto, come un solido.

Ma i ricercatori hanno mescolato le perline ruotando il bicchiere lungo diversi assi. Per tenere traccia di quanto bene le perline si sono mescolate, hanno posizionato una particella tracciante di 4 mm all'interno e poi hanno eseguito le rotazioni più e più volte, a volte fino a 500 volte, e ha preso immagini a raggi X della sfera per vedere dove è finita la particella tracciante.

Nonostante abbia provato diversi protocolli di rotazione, i ricercatori hanno scoperto che c'erano inevitabilmente regioni che si mescolavano e regioni che non si mescolavano. Questo è stato il risultato dell'interazione tra i due metodi di miscelazione, tagliare e mescolare e allungare e piegare.

"Anche se il materiale si muove spesso a spicchi in questo modo tagliente e mescolato, tutto ciò che fanno quei cunei è muoversi insieme, " disse Umbanhowar, professore di ingegneria meccanica. "Ci sono regioni che non si mescolano mai".

Comprendere questo concetto può portare a intuizioni in luoghi interessanti e inaspettati, come la lotteria natalizia spagnola, dove 100, 000 palline di legno con numeri di biglietto unici vengono fatte rotolare in una sfera, mentre 1, 807 palline etichettate con i premi vengono fatte cadere in un'altra. Durante il disegno, una pallina premio e un numero di biglietto corrispondente vengono estratti da ciascuna sfera fino a quando la sfera della pallina premio non è vuota. Ma se il bicchiere include regioni che sono miste e regioni che non lo sono, il posizionamento iniziale della palla nel bicchiere diventa un fattore smisurato nella scelta o meno.

"C'è un'aspettativa di casualità, ma i nostri risultati mostrano che non è così, " disse Ottino.

I ricercatori sperano di condurre studi futuri per mostrare come queste informazioni possono essere applicate su diversi materiali.

"Questo ci dà uno strumento completamente nuovo per capire cosa si mescola e cosa non si mescola, "Umbanhowar ha detto. "Questi risultati possono essere utilizzati in definitiva come strumento di progettazione".