Il flusso di materiali granulari, come sabbia e particelle catalitiche utilizzate nei reattori chimici, spiega una vasta gamma di fenomeni naturali, dalle frane ai vulcani, e consente un'ampia gamma di processi industriali, dalla produzione farmaceutica alla cattura del carbonio. Mentre il movimento e la miscelazione della materia granulare mostrano spesso sorprendenti somiglianze con i liquidi, come in dune di sabbia in movimento, valanghe, e sabbie mobili, la fisica alla base dei flussi granulari non è così ben compresa come i flussi liquidi.

Ora, una recente scoperta di Chris Boyce, assistente professore di ingegneria chimica presso la Columbia Engineering, spiega una nuova famiglia di instabilità gravitazionali in particelle granulari di diverse densità che sono guidate da un meccanismo di canalizzazione del gas non visto nei fluidi. In collaborazione con il gruppo del professore di scienze energetiche e ingegneristiche Christoph Müller all'ETH di Zurigo, Il team di Boyce ha osservato un'inaspettata instabilità simile a quella di Rayleigh-Taylor (R-T) in cui i grani più leggeri salgono attraverso i grani più pesanti sotto forma di "dita" e "bolle granulari". instabilità R-T, che sono prodotti dalle interazioni di due fluidi di diversa densità che non si mescolano:olio e acqua, per esempio, perché il fluido più leggero spinge da parte quello più pesante, non sono stati osservati tra due materiali granulari secchi.

Lo studio, pubblicato oggi su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , è il primo a dimostrare che "bolle" di sabbia più leggera si formano e salgono attraverso la sabbia più pesante quando i due tipi di sabbia sono soggetti a vibrazioni verticali e flusso di gas verso l'alto, simili alle bolle che si formano e salgono nelle lampade di lava. La squadra ha scoperto che, così come le bolle d'aria e d'olio salgono nell'acqua perché sono più leggere dell'acqua e non vogliono mescolarsi con essa, bolle di sabbia leggera salgono attraverso la sabbia più pesante anche se due tipi di sabbia amano mischiarsi.

"Pensiamo che la nostra scoperta sia trasformativa, " dice Boyce "Abbiamo trovato un analogo granulare di una delle ultime grandi instabilità meccaniche dei fluidi. Mentre negli ultimi decenni sono stati scoperti analoghi delle altre principali instabilità nei flussi granulari, l'instabilità R-T ha eluso il confronto diretto. I nostri risultati potrebbero non solo spiegare le formazioni geologiche e i processi che sono alla base dei depositi minerari, ma potrebbe anche essere utilizzato nelle tecnologie di lavorazione delle polveri nei settori energetico, costruzione, e industrie farmaceutiche».

Il gruppo di Boyce ha utilizzato modelli sperimentali e computazionali per dimostrare che la canalizzazione del gas attraverso particelle più leggere innesca la formazione di dita e modelli di bolle. La canalizzazione del gas avviene perché i grappoli di accendini, le particelle più grandi hanno una maggiore permeabilità al flusso di gas rispetto a quelle più pesanti, grani più piccoli. L'instabilità di tipo R-T nei materiali granulari deriva da una competizione tra la forza di resistenza verso l'alto aumentata localmente dalla canalizzazione del gas e le forze di contatto verso il basso, un meccanismo fisico completamente diverso da quello che si trova nei liquidi.

Hanno scoperto che questo meccanismo di canalizzazione del gas genera anche altre instabilità gravitazionali, compresa la ramificazione a cascata di una gocciolina granulare discendente. Hanno anche dimostrato che l'instabilità simile a R-T può verificarsi in un'ampia varietà di condizioni di flusso di gas e vibrazioni, formando diverse strutture in diverse condizioni di eccitazione.

"Queste instabilità, che può essere applicato a una varietà di sistemi, gettare nuova luce sulle dinamiche granulari e suggerire nuove opportunità di modellazione all'interno di miscele granulari per formare nuovi prodotti nell'industria farmaceutica, Per esempio, " Boyce aggiunge. "Siamo particolarmente entusiasti del potenziale impatto delle nostre scoperte sulle scienze geologiche:queste instabilità possono aiutarci a capire come si sono formate le strutture nel corso della lunga storia della Terra e prevedere come altre potrebbero formarsi in futuro".

Boyce sta ora studiando altri fenomeni simili a liquidi e strutturati nelle particelle di sabbia e quantificando il loro comportamento. È anche in conversazioni con geologi e vulcanologi per esplorare di più su come questo processo e altri simili si verificano nel mondo naturale.