Die Forschung identifiziert eine Schlüsselverbindung zwischen der Gravitationsinstabilität in physikalischen Gelen und körnigen Medien

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben wesentliche Ähnlichkeiten zwischen dem Verhalten von körnigen Materialien und schmelzenden Gelen identifiziert. Sie fanden heraus, dass fallende Sandbetten den gleichen Destabilisierungsmechanismus aufweisen wie schmelzende Gelatine, wenn sie von unten erhitzt wird, insbesondere wie Schlüsselparameter mit der Dicke des aufgewirbelten Bereichs skalieren. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichteliefern wichtige Einblicke in unser Verständnis der Destabilisierung unter Schwerkraft, wie sie in Lawinen, Erdrutschen und industriellen Transportprozessen zu sehen ist.

Sand und Gelee mögen sich nicht sehr ähnlich sehen, aber sie haben ähnliche physikalische Eigenschaften. Sand besteht aus Milliarden von Feststoffkörnern, die wie eine Flüssigkeit fließen und Rohre wie ein Feststoff verstopfen können. Materialien wie Gelatinelösungen fließen bei hoher Temperatur wie eine Flüssigkeit, nehmen aber beim Abkühlen plötzlich feststoffähnliche Eigenschaften an. Wenn man sich die mikroskopischen Details ansieht, ist es offensichtlich, dass die Festigkeit von Gelen durch Polymer- oder Proteinnetzwerke untermauert wird, die ein Material durchziehen; Dies ähnelt der Art und Weise, wie „Kraftketten“, Netzwerke von Körnern, die aufeinander drängen, die scheinbare Festigkeit von Sand hervorrufen. Diese faszinierende Verbindung von festem und flüssigkeitsähnlichem Verhalten bildet das Rückgrat vieler Naturphänomene wie Lawinen und Erdrutsche, ist aber immer noch kaum verstanden.

Diese Ähnlichkeiten inspirierten Dr. Kazuya Kobayashi und Professor Rei Kurita von der Tokyo Metropolitan University, physikalische Gele und Sandbetten direkt zu vergleichen, während sie sich verflüssigen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras beobachteten sie die Fluidisierung dünner Sandbetten und Gelatinelösungen. Für Sand wurden vorgeformte Körnerbetten in Luft oder Wasser umgedreht und beobachtet, wie die Basis herauszufallen beginnt. Für Gelatine wurden zwei Schichten mit unterschiedlichen Gelatinekonzentrationen übereinander hergestellt. Die Konzentrationen wurden so gewählt, dass die untere Schicht zuerst vollständig fluidisierte. Wenn das Material von unten erhitzt wird, würde sich die obere Schicht destabilisieren und zu fallen beginnen.

In beiden Systemen fand das Team Fingering-Instabilitäten, bei denen dünne Materialfinger in das Material (oder Luft/Wasser) darunter fallen und Regentropfen ähneln, die ein Fenster herunterfallen. Im Laufe der Zeit würden neue Finger zwischen bestehenden erscheinen und die Grenzfläche zwischen den flüssigen und feststoffähnlichen Teilen würde zurückgehen. Durch die Verwendung eines speziellen bildgebenden Verfahrens konnte das Team außerdem eine „verflüssigte“ Grenzflächenregion über dem eigentlichen Beginn der Finger identifizieren. Es wurde festgestellt, dass die Dicke dieser Region stark mit Schlüsselparametern wie der Geschwindigkeit, mit der sich die Front zurückzieht, und dem Abstand zwischen den Fingern korreliert. Diese Art von Beziehung wird als „Skalierungs“-Beziehung bezeichnet und ist in der Physik wichtig, um Phänomene zu verbinden, die zunächst unterschiedlich erscheinen mögen, aber durch ihre Mechanismen auf einer tieferen Ebene zusammenhängen können. In diesem Fall ist dies ein starker Beweis dafür, wie die Ähnlichkeiten zwischen den Materialien, dh die Konnektivität eines krafttragenden Netzwerks, ihrem makroskopischen physikalischen Verhalten zugrunde liegt.

Durch ihre umfangreichen Experimente bietet die Arbeit des Teams wertvolle Erkenntnisse darüber, wie sich körnige Materialien und Gele unter Schwerkraft destabilisieren, was Auswirkungen sowohl auf Fluidisierungsphänomene in der Natur als auch auf die Gestaltung von Transportsystemen für körnige Materialien im industriellen Maßstab hat.

Bereitgestellt von der Tokyo Metropolitan University