Comprendere le dinamiche dei materiali granulari, come la sabbia che scorre attraverso una clessidra o il sale che scorre attraverso uno shaker, è un grosso problema irrisolto in fisica. Un nuovo articolo descrive un modello per il modo in cui eventi di "scuotimento" di dimensioni record influenzano la dinamica di un materiale granulare mentre si sposta da uno stato eccitato a uno stato rilassato, aggiungendo all'evidenza che una teoria unificante è alla base di questo comportamento.

Il Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) ha pubblicato il lavoro di Stefan Boettcher, un fisico teorico di Emory, e Paula Gago, un esperto di modellistica della meccanica statistica della materia granulare presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria della Terra dell'Imperial College di Londra.

"Il nostro lavoro segna un altro piccolo passo avanti per descrivere in modo uniforme il comportamento dei materiali granulari, "dice Boettcher, professore e presidente del Dipartimento di Fisica di Emory.

"Una conoscenza completa dei materiali granulari potrebbe avere un enorme impatto su una vasta gamma di settori, " aggiunge. "Per citare solo alcuni esempi, è rilevante per la compattazione dei granuli in pellet per fare pillole, la lavorazione dei cereali in agricoltura e per prevedere i comportamenti di tutti i tipi di materia geofisica coinvolti nell'ingegneria civile."

I materiali granulari sono sistemi disordinati che spesso si trovano in uno stato lontano dall'equilibrio. Gli esempi includono tutto, dalla sabbia, riso e fondi di caffè su cuscinetti a sfera.

"Sono una specie di 'palla strana' della materia perché si comportano in modo diverso dai solidi, liquidi e gas, "dice Boettcher.

Mentre le fasi dell'acqua, Per esempio, può essere facilmente descritto come un liquido, solido o gas, a seconda delle temperature specifiche, la termodinamica dei sistemi di non equilibrio non è ben definita. Una delle maggiori complicazioni è il fatto che le singole particelle nella maggior parte dei materiali granulari hanno differenti, proprietà distinte ed esercitano forze di attrito l'una sull'altra. E i cambiamenti di temperatura non producono un movimento significativo in essi. La gravità complica ulteriormente il comportamento dei materiali granulari, poiché influenza la densità dei diversi strati in un sistema di particelle.

Nel 1997, i ricercatori hanno sviluppato un modo per scuotere i materiali granulari in modo controllabile per una serie di esperimenti su ciò che è noto come "mucchio di Chicago". Hanno riempito un bicchiere di vetro con perline di vetro di dimensioni micron e hanno "colpito" il materiale verso l'alto con un'ampiezza specifica. Sono stati quindi in grado di misurare la densità risultante del materiale nel bicchiere in funzione della forza dei rubinetti, o l'energia che pulsa attraverso il sistema.

Boettcher e il suo collaboratore volevano acquisire una comprensione a livello molecolare della dinamica di compattazione di un mucchio granulare attraverso l'analisi di simulazioni al computer. Erano particolarmente interessati a confrontare la densità di un mucchio granulare sia in uno stato eccitato che rilassato per cercare modelli.

Ispirato dagli esperimenti sui pali di Chicago, i ricercatori hanno eseguito simulazioni al computer basate su 60, 000 sfere, da 1 a 1,02 micrometri di diametro, contenuto in un cilindro verticale di 2,4 centimetri di diametro. Il cilindro viene sfruttato attraverso impulsi di energia sintonizzati su ampiezze precise. La tecnologia consente ai ricercatori di misurare la densità della pila a livello locale e globale monitorando il numero variabile di particelle vicine che ogni singola particella tocca.

Le simulazioni hanno mostrato che quando una serie di colpetti ha esattamente la stessa forza, la densità del palo aumenta sempre più lentamente, o logaritmicamente. Mentre i rubinetti continuano nel tempo, sempre più grande, sono necessari spostamenti di dimensioni record nella disposizione dei grani per aumentare la densità della pila. Queste fluttuazioni record sono sempre più difficili da raggiungere, spiegando i lenti guadagni di densità.

"Puoi pensarlo come un bicchiere pieno di sabbia sciolta, " Spiega Boettcher. "All'inizio ci sono grandi buchi tra i grani. Quindi inizialmente, è facile per un grano cambiare posizione cadendo in uno spazio vuoto. Ma quando questi spazi iniziano a rimpicciolirsi, diventa meno probabile che un granello possa cadere attraverso uno. Mentre i rubinetti continuano, ci vogliono eventi sempre più cooperativi per creare lo spazio necessario per una maggiore compattazione."

Ricerche precedenti hanno mostrato un modello statistico simile per il comportamento dei solidi amorfi che non formano cristalli ordinati quando si spostano da uno stato liquido a uno solido, come il vetro e molti polimeri.

"Ciò suggerisce che questo modello potrebbe essere un pezzo del puzzle per trovare un modo sistematico per descrivere i materiali che sono fuori equilibrio, "dice Boettcher.

I ricercatori stanno ora approfondendo la questione se l'energia cinetica dei rubinetti possa essere equivalente al modo in cui la temperatura viene utilizzata per descrivere i materiali nella fisica classica.