Вопреки законам физики? Пузырьки песка?

Новое исследование впервые показывает, как два типа песка могут вести себя как легкие и тяжелые жидкости, проливая свет на геологические процессы от оползней до вулканов и потенциально позволяя использовать новые технологии от фармацевтического производства до улавливания углерода.

Поток гранулированных материалов, таких как песок и каталитические частицы, используемых в химических реакторах, и обеспечивает широкий спектр природных явлений, от оползней до вулканов, а также широкий спектр промышленных процессов, от фармацевтического производства до улавливания углерода. В то время как движение и перемешивание гранулированного вещества часто демонстрируют поразительное сходство с жидкостями, например, с движущимися песчаными дюнами, лавинами и зыбучими песками, физика, лежащая в основе гранулированных потоков, не так хорошо изучена, как потоки жидкости.

Недавнее открытие Криса Бойса, доцента кафедры химической инженерии в Columbia Engineering, объясняет новое семейство гравитационных неустойчивостей в гранулированных частицах различной плотности, которые приводятся в движение механизмом газораспределения, невидимым в жидкостях. В сотрудничестве с группой профессора энергетики и инженерных наук Кристофа Мюллера в ETH Цюрих, команда Бойса наблюдала неожиданную нестабильность, подобную неустойчивости Рэлея-Тейлора (RT), при которой более легкие зерна поднимаются через более тяжелые зерна в форме "пальцев" и "гранулированных пузырьков". R-T нестабильности, которые возникают в результате взаимодействия двух жидкостей разной плотности, которые не смешиваются - например, масла и воды, - потому что более легкая жидкость отталкивает более тяжелую, между двумя сухими гранулированными материалами не наблюдалось.

Исследование, опубликованное сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые демонстрирует, что "пузырьки" из более легкого песка образуются и поднимаются сквозь более тяжелый песок, когда два типа песка подвергаются вертикальной вибрации и восходящему потоку газа, подобно пузырькам, которые образуются и поднимаются в лавовых лампах. Команда обнаружила, что подобно тому, как пузырьки воздуха и масла поднимаются в воде, потому что они легче воды и не хотят смешиваться с ней, пузырьки легкого песка поднимаются сквозь более тяжелый песок, хотя два типа песка любят смешиваться.

"Мы считаем, что наше открытие имеет преобразующее значение, - говорит Бойс. - Мы нашли гранулированный аналог одной из последних крупных механических неустойчивостей жидкости. В то время как аналоги других основных неустойчивостей были обнаружены в гранулированных потоках в последние десятилетия, R-T нестабильность ускользала от прямого сравнения. Наши результаты могут не только объяснить геологические образования и процессы, лежащие в основе месторождений полезных ископаемых, но также могут быть использованы в технологиях обработки порошков в энергетической, строительной и фармацевтической промышленности ".

Группа Бойса использовала экспериментальное и вычислительное моделирование, чтобы показать, что газ, проходящий через более легкие частицы, вызывает образование рисунков пальцев и пузырьков. Газовое направление происходит потому, что скопления более легких и крупных частиц имеют более высокую проницаемость для газового потока, чем более тяжелые и мелкие зерна. R-T-подобная нестабильность в гранулированных материалах возникает из-за конкуренции между силой сопротивления, направленной вверх, увеличенной локально за счет направления газа, и силами контакта, направленными вниз, физический механизм, полностью отличный от того, который обнаруживается в жидкостях.

Они обнаружили, что этот механизм газораспределения также порождает другие гравитационные нестабильности, в том числе каскадное разветвление нисходящей зернистой капли. Они также продемонстрировали, что R-T-подобная нестабильность может возникать при самых разных условиях потока газа и вибрации, образуя разные структуры при разных условиях возбуждения.

"Эти неустойчивости, которые могут быть применены к различным системам, проливают новый свет на динамику гранул и предлагают новые возможности для формирования структуры в гранулированных смесях для получения новых продуктов, например, в фармацевтической промышленности", - добавляет Бойс. "Мы особенно взволнованы потенциальным влиянием наших открытий на геологические науки - эти нестабильности могут помочь нам понять, как формировались структуры на протяжении долгой истории Земли, и предсказать, как другие могут сформироваться в будущем".

В настоящее время Бойс исследует другие жидкоподобные и структурированные явления в частицах песка и количественно оценивает их поведение. Он также беседует с геологами и вулканологами, чтобы узнать больше о том, как этот и подобные процессы происходят в природе.