Ingenieurforscher der Lehigh University haben herausgefunden, dass Sand tatsächlich bergauf fließen kann.
Der Ergebnisse des Teams wurden heute in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation. Ein entsprechendes Video zeigt, was passiert, wenn auf jedes Korn ein Drehmoment und eine Anziehungskraft ausgeübt wird – die Körner fließen bergauf, Wände hinauf und Treppen hinauf und hinunter.
„Nachdem wir Gleichungen verwendet haben, die den Fluss körniger Materialien beschreiben“, sagt James Gilchrist, Ruth H. und Sam Madrid-Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik am PC Rossin College of Engineering and Applied Science in Lehigh und einer der Autoren des Papiers: „ Wir konnten schlüssig zeigen, dass sich diese Partikel tatsächlich wie ein körniges Material bewegten, nur dass sie bergauf flossen.“
Die Forscher sagen, dass die höchst ungewöhnliche Entdeckung viele weitere Forschungsrichtungen eröffnen könnte, die zu einer Vielzahl von Anwendungen führen könnten, von der Gesundheitsversorgung über den Materialtransport bis hin zur Landwirtschaft.
Der Hauptautor des Artikels, Dr. Samuel Wilson-Whitford, ein ehemaliger Postdoktorand am Gilchrist Laboratory of Particle Mixing and Self-Organization, hat die Bewegung im Rahmen seiner Forschungen zur Mikroverkapselung völlig zufällig erfasst. Als er einen Magneten unter einem Fläschchen mit mit Eisenoxid beschichteten Polymerpartikeln, sogenannten Mikrowalzen, rotieren ließ, begannen sich die Körner bergauf zu häufen.
Wilson-Whitford und Gilchrist begannen zu untersuchen, wie das Material unter verschiedenen Bedingungen auf den Magneten reagierte. Als sie die Mikrowalzen ausschütteten, ohne sie mit dem Magneten zu aktivieren, flossen sie bergab. Doch als sie mithilfe der Magnete ein Drehmoment anwendeten, begann jedes Teilchen zu rotieren und erzeugte vorübergehende Dubletts, die sich schnell bildeten und wieder auflösten. Das Ergebnis, sagt Gilchrist, ist ein Zusammenhalt, der aufgrund eines negativen Reibungskoeffizienten einen negativen Ruhewinkel erzeugt.
„Bisher hätte niemand diese Begriffe verwendet“, sagt er. „Sie existierten nicht. Aber um zu verstehen, wie diese Körner bergauf fließen, haben wir berechnet, welche Spannungen sie dazu veranlassen, sich in diese Richtung zu bewegen. Wenn Sie einen negativen Ruhewinkel haben, müssen Sie Kohäsion haben, um einen negativen zu ergeben Reibungskoeffizient. Diese granularen Strömungsgleichungen wurden nie abgeleitet, um diese Dinge zu berücksichtigen, aber nach der Berechnung kam ein scheinbar negativer Reibungskoeffizient heraus.“
Durch die Erhöhung der Magnetkraft wird der Zusammenhalt erhöht, was den Körnern mehr Traktion und die Fähigkeit verleiht, sich schneller zu bewegen. Die kollektive Bewegung all dieser Körner und ihre Fähigkeit, aneinander zu haften, ermöglichen es einem Haufen Sandpartikel, im Wesentlichen zusammenzuarbeiten, um kontraintuitive Dinge zu tun – wie zum Beispiel Wände hochzufließen und Treppen zu steigen. Das Team verwendet nun einen Laserschneider, um winzige Treppen zu bauen, und macht Videos von dem Material, das auf der einen Seite auf- und auf der anderen Seite absteigt. Ein einzelner Mikroroller könnte nicht die Höhe jeder Stufe überwinden, sagt Gilchrist. Aber wenn sie zusammenarbeiten, können sie es schaffen.
„Dieser erste Artikel konzentriert sich nur darauf, wie das Material bergauf fließt, aber unsere nächsten Artikel werden sich mit Anwendungen befassen, und ein Teil dieser Untersuchung wird die Frage beantworten: Können diese Mikrowalzen Hindernisse überwinden? Und die Antwort ist ja.“
Mögliche Anwendungen könnten weitreichend sein. Die Mikrowalzen könnten zum Mischen von Dingen, zum Trennen von Materialien oder zum Bewegen von Objekten verwendet werden. Da diese Forscher einen neuen Weg entdeckt haben, darüber nachzudenken, wie die Partikel im Wesentlichen schwärmen und kollektiv arbeiten, könnten zukünftige Anwendungen in der Mikrorobotik liegen, die wiederum Anwendungen im Gesundheitswesen haben könnte. Gilchrist hat kürzlich einen Artikel eingereicht, der ihren Einsatz im Boden als Mittel zur Nährstoffzufuhr durch ein poröses Material untersucht.
„Wir untersuchen diese Teilchen bis ins kleinste Detail“, sagt er, „und experimentieren mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten und unterschiedlichen magnetischen Kräften, um ihre kollektive Bewegung besser zu verstehen. Ich kenne im Grunde die Titel der nächsten 14 Artikel, die wir veröffentlichen werden.“ .“
Mehr Informationen:
Samuel R. Wilson-Whitford et al., Mikrowalzen fließen als körnige Medien bergauf, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41327-1