Un team di matematici dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill e della Brown University ha scoperto un nuovo fenomeno che genera una forza fluida in grado di spostare e legare particelle immerse in fluidi a strati di densità. La svolta offre un'alternativa alle ipotesi precedenti su come le particelle si accumulano nei laghi e negli oceani e potrebbe portare ad applicazioni nella localizzazione di hotspot biologici, ripulire l'ambiente e anche nello smistamento e nell'imballaggio.

Come la materia si deposita e si aggrega per gravità nei sistemi fluidi, come laghi e oceani, è una vasta e importante area di studio scientifico, uno che ha un grande impatto sull'umanità e sul pianeta. Considera "neve marina, " la pioggia di materia organica che cade costantemente dalle acque superiori all'oceano profondo. Non solo la neve marina ricca di sostanze nutritive è essenziale per la catena alimentare globale, ma i suoi accumuli nelle profondità salmastre rappresentano il più grande pozzo di carbonio della Terra e uno dei componenti meno compresi del ciclo del carbonio del pianeta. C'è anche la crescente preoccupazione per le microplastiche che vorticano nei vortici oceanici.

L'accumulo di particelle oceaniche è stato a lungo inteso come il risultato di collisioni e adesioni casuali. Ma un fenomeno completamente diverso e inaspettato è all'opera nella colonna d'acqua, secondo un articolo pubblicato il 20 dicembre in Comunicazioni sulla natura da un team guidato dai professori Richard McLaughlin e Roberto Camassa del Carolina Center for Interdisciplinary Applied Mathematics del College of Arts &Sciences, insieme al loro studente laureato UNC-Chapel Hill Robert Hunt e Dan Harris della School of Engineering della Brown University.

Nella carta, i ricercatori dimostrano che le particelle sospese in fluidi di diversa densità, come l'acqua di mare con diversi strati di salinità, mostrano due comportamenti precedentemente sconosciuti. Primo, le particelle si autoassemblano senza attrazione elettrostatica o magnetica o, nel caso dei microrganismi, senza dispositivi di propulsione come flagelli battenti o ciglia. Secondo, si aggregano senza bisogno di adesivo o altre forze di adesione. Più grande è il cluster, più forte è la forza attrattiva.

Come tante scoperte, questo è iniziato per caso, un paio di anni fa, durante una dimostrazione per i VIP che visitano il Joint Applied Mathematics and Marine Sciences Fluids Lab gestito da Camassa e McLaughlin. Il paio, a lungo affascinato dai fluidi stratificati, destinato a mostrare un trucco da salotto preferito:come le sfere gettate in un serbatoio di acqua salata "rimbalzeranno" sulla loro strada verso il fondo, purché il fluido sia uniformemente stratificato per densità. Ma lo studente laureato incaricato dell'esperimento ha commesso un errore nell'impostare la densità del fluido inferiore. Le sfere rimbalzarono e poi rimasero appese lì, sommerso ma non sprofondato.

"E poi ho preso quella che è stata una buona decisione, "ha detto McLaughlin, "per non ripulire il disordine." Andare a casa, disse al dottorando. Bene, affrontarlo più tardi. La prossima mattina, le palle erano ancora sospese, ma avevano cominciato a raggrupparsi insieme, ad autoassemblarsi senza una ragione apparente.

I ricercatori alla fine hanno scoperto il motivo, anche se ci sono voluti più di due anni di studi sperimentali di riferimento e molta matematica.

Puoi vedere il fenomeno all'opera in un video prodotto dai ricercatori. Le microsfere di plastica lasciate cadere in un contenitore di acqua salata sormontato da acqua dolce meno densa vengono tirate giù dalla forza di gravità e spinte verso l'alto dalla galleggiabilità. Mentre sono sospesi, l'interazione tra galleggiabilità e diffusione, agendo per bilanciare il gradiente di concentrazione del sale, crea flussi attorno alle microsfere, facendoli muovere lentamente. Piuttosto che muoversi a caso, però, si uniscono, risolvendo i propri puzzle simili a puzzle. Man mano che i grappoli crescono, la forza del fluido aumenta.

"È quasi come se avessimo scoperto una nuova forza efficace, " ha detto Camassa.

La scoperta di questo meccanismo del primo principio precedentemente sconosciuto apre le porte alla comprensione di come la materia si organizza nell'ambiente. In corpi idrici altamente stratificati, come gli estuari e l'oceano profondo, essere in grado di comprendere matematicamente il fenomeno può consentire agli scienziati di modellare e prevedere la posizione degli hotspot biologici, comprese le zone di alimentazione per pesci commerciali o specie in via di estinzione. Sfruttare la potenza del fenomeno potrebbe anche portare a modi migliori per individuare le microplastiche oceaniche o persino il petrolio dalle fuoriuscite di petrolio in acque profonde. O, in una versione di dimensioni industriali dell'esperimento Fluids Lab, il meccanismo potrebbe essere utilizzato per smistare materiali di diversa densità, per esempio diversi colori di vetro riciclabile frantumato.

"Lavoriamo da anni con sistemi stratificati, in genere guardando come le cose cadono attraverso di loro, " McLaughlin ha detto. "Questa è una delle cose più emozionanti che ho incontrato nella mia carriera".