I ricercatori di Rochester stanno scoprendo il ruolo inaspettato della forma dei grani nella miscelazione di sistemi granulari come prodotti farmaceutici, cereali e frane.
I tuoi cereali mattutini, un barattolo di noci, le sabbie di pianeti lontani e persino il cemento della tua città sono tutti esempi di sistemi granulari che ci circondano. E tali sistemi nascondono segreti che potrebbero cambiare il modo in cui mescoliamo le cose.
In un nuovo articolo pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences , scienziati dell'Università di Rochester, tra cui Rachel Glade, assistente professore di scienze della Terra e ambientali e di ingegneria meccanica; Fernando David Cúñez, ex ricercatore associato post-dottorato nel laboratorio di Glade e ora ricercatore associato post-dottorato presso il Rochester Institute of Technology; e Div Patel, hanno studiato i materiali granulari e hanno scoperto il ruolo inaspettato che la forma dei grani gioca nel comportamento dei sistemi granulari.
"I materiali granulari hanno comportamenti peculiari", afferma Cúñez, "ma non sappiamo molto su come si comportano esattamente perché il loro comportamento dipende da tante circostanze diverse."
L'effetto noce del Brasile
I materiali granulari come cereali, prodotti farmaceutici, sabbia e cemento si organizzano comunemente in modo tale che i grani si segregano in base alle dimensioni anziché mescolarsi uniformemente. Ad esempio, in un barattolo di noci, le noci più grandi si trovano solitamente nella parte superiore, un fenomeno noto come "effetto noce del Brasile".
L’effetto noce del Brasile può essere un fastidio per molte industrie, tra cui quella alimentare e farmaceutica, perché impedisce una miscelazione uniforme. Ha anche influenze sulla natura, dove la segregazione dei cereali può modificare le dinamiche dei rischi geografici come frane, erosione e colate detritiche.
Sebbene il fenomeno sia ben noto, non è ancora del tutto chiaro. I ricercatori si sono tradizionalmente concentrati anche sulla dimensione dei grani, poiché la maggior parte degli studi precedenti presupponeva che i grani fossero sferici, un'uniformità che raramente rispecchia la realtà.
Glade e il suo team hanno utilizzato simulazioni computerizzate avanzate confrontando miscele di sfere con miscele di sfere e cubi in un tamburo rotante e in una configurazione simile a un fiume per studiare come la forma dei grani influisce sulla segregazione rispettivamente in condizioni sia asciutte che umide. La loro ricerca ha rivelato che anche piccole differenze nella forma dei grani possono alterare in modo significativo la dinamica della segregazione dei grani.
Nello specifico, i ricercatori hanno trovato i seguenti modelli nelle miscele del sistema a secco:
È interessante notare che in un sistema fluido la tendenza si sposta al contrario:in una miscela di sfere della stessa dimensione più cubi più piccoli, i cubi più piccoli si spostano verso l'alto.
"Un modo di pensarci è che la forma dei grani cambia la segregazione sia quantitativamente - nel caso del tamburo asciutto, i cubetti diminuiscono la quantità di segregazione - sia qualitativamente - nel caso del fiume umido, i cubetti cambiano i modelli di segregazione", dice Glade. /P>
La ricerca futura esplorerà il motivo per cui si verificano questi cambiamenti nella segregazione. I ricercatori suppongono che ciò sia probabilmente dovuto a diversi fattori, comprese le forze esercitate sulle diverse particelle che le fanno aderire insieme e resistere al movimento in modi distinti.
Indipendentemente da ciò, lo studio mostra quanto sia importante la forma dei grani in vari ambiti.
Evidenziando le implicazioni più ampie, afferma Glade, "il nostro lavoro dimostra l'importanza della ricerca interdisciplinare, traendo ispirazione dalla fisica, dall'ingegneria e dalle scienze della Terra. Questa collaborazione apre la strada al lavoro futuro per comprendere e prevedere meglio i rischi geologici e alleviare i problemi di segregazione nei flussi industriali". e migliorare la nostra comprensione dei materiali granulari sulla Terra e su altri pianeti."
Ulteriori informazioni: Fernando David Cúñez et al, Come la forma delle particelle influisce sulla segregazione granulare nei flussi industriali e geofisici, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2307061121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università di Rochester
