La sabbia è un materiale affascinante. Può scorrere ed essere versato come un liquido, ma conserva molte delle proprietà dei solidi, intasamento di tubi o formazione di dune di sabbia. Il comportamento di raccolte di piccole particelle come la sabbia è noto come fisica granulare, ed è un campo immensamente importante per la movimentazione e il trasporto della vasta gamma di materiali granulari là fuori come i grani, Riso, polveri e le grandi quantità di sabbia utilizzate nel settore edile.

Un enigma chiave di questa branca della fisica sono i semplici numeri coinvolti. I grani interagiscono tramite semplici, meccanica newtoniana, ma poiché così tante particelle interagiscono contemporaneamente, c'è una complessità emergente del comportamento del flusso che non può ancora essere spiegata con semplici equazioni. Gli scienziati non stanno quindi solo cercando modelli teorici migliori per spiegare il comportamento granulare, ma convenienti "sistemi modello" che possono essere gestiti e sintonizzati in laboratorio per fornire informazioni su come la struttura microscopica dei materiali granulari dia origine alle loro proprietà macroscopiche.

Un team guidato dall'assistente professoressa Marie Tani e dal professor Rei Kurita della Tokyo Metropolitan University ha studiato le proprietà di miscele di "sabbia magica" rivestite di silicone. "un popolare giocattolo per bambini, e sabbia normale. È stato scoperto che le particelle di sabbia rivestite di silicone interagiscono solo tra loro e non con altre particelle di sabbia. Il team ha scoperto che l'aggiunta di sabbia rivestita di silicone oltre una certa soglia porta a un brusco cambiamento nel raggruppamento e nella rigidità, un modo potenziale per regolare il flusso di materiali granulari per l'industria.

I ricercatori hanno studiato cosa succede alla sabbia quando si bagna. È noto che la sabbia della spiaggia, Per esempio, si comporta in modo completamente diverso; i castelli di sabbia sono difficili da costruire quando la sabbia è asciutta. Questo comportamento è in gran parte dovuto alla formazione di "ponti" di liquido tra le particelle, conosciuti come ponti capillari, legando fortemente i grani insieme per formare strutture portanti. Però, la sabbia bagnata omogenea è notoriamente difficile da preparare in laboratorio; è difficile da mescolare in modo uniforme e si asciuga molto rapidamente.

Per superare questo problema, i ricercatori hanno utilizzato "sabbia magica, " particelle di sabbia idrofobe ricoperte di olio di silicone, comunemente disponibile nei giocattoli per bambini. Il team ha scoperto che non solo i granelli di "sabbia magica" si attraggono fortemente l'un l'altro attraverso sottili fili di petrolio, ma non interagisce con la sabbia normale, semplicemente urtandolo come grani secchi. Mescolando "sabbia magica" e sabbia normale in diversi rapporti, il team potrebbe studiare liberamente come si comporta la sabbia bagnata fino alle più piccole frazioni liquide, dove solo alcuni grani sono collegati tramite ponti capillari.

Utilizzando tre metodi indipendenti che coinvolgono setacciatura, misurare la densità e formare cumuli di sabbia stabili, hanno scoperto che le proprietà meccaniche della miscela cambiano drasticamente quando la frazione di sabbia magica in sabbia normale supera il 20%. Ciò concordava con i risultati della teoria della percolazione, che regola il modo in cui le connessioni tra le particelle attraversano lo spazio senza rotture, lasciando che la miscela di sabbia si comporti in modo significativamente più solido e sostenga il proprio peso. Questo comportamento è noto per i gel polimerici, e aiuta a unificare approcci teorici applicati a materiali completamente diversi.

Le miscele del team mostrano anche proprietà meccaniche che possono essere facilmente modificate. È importante sottolineare che il metodo fornisce un nuovo, conveniente, modo accurato e informativo per esplorare la fisica granulare, e potrebbe diventare la nuova impostazione predefinita per gli scienziati nelle indagini future.