Misturar líquidos é fácil, ou pelo menos cientificamente compreendido:uma gota de corante alimentar acabará por se misturar em um copo de água por difusão, e um bocado de creme pode ser misturado ao café com uma colher por meio do que é chamado de mistura turbulenta.

Mas e se o material tiver as propriedades de líquidos e sólidos, que é o caso de materiais como concreto, pintar, e areia? Chamados de materiais de tensão de escoamento, essas misturas podem fluir como líquidos e permanecer imóveis como sólidos.

Compreender como esses materiais se misturam tem implicações em indústrias como a farmacêutica e a fabricação de concreto, mas pouco ainda se sabe sobre a melhor forma de misturá-los.

Em um novo jornal em Nature Communications , Os professores de engenharia da Northwestern descobrem que a mistura de materiais de tensão de rendimento cria regiões mistas e não mistas, fornecendo um começo fundamental para a compreensão de como projetar da melhor forma os protocolos de mistura. Julio M. Ottino, Paul Umbanhowar, e Richard Lueptow foram os co-autores do artigo.

“Os fundamentos teóricos do fluxo de matéria granular ainda são muito incompletos, "disse Ottino, Walter P. Murphy Professor de Engenharia Química e Biológica. "Encontramos notável persistência da ordem em meio ao caos."

A questão era quão bem o material granular poderia ser misturado em um sistema básico:um copo esférico. O material se misturaria como um sólido, através de um método de "cortar e embaralhar" semelhante a um baralho de cartas? Ou se misturaria como um líquido viscoso, como mel, através de um padrão de "esticar e dobrar"?

Para testar essa ideia, os pesquisadores encheram até a metade um copo esférico com contas de vidro de 2 milímetros. Quando girado, a camada superior de contas fluiu como um fluido para o fundo da esfera, enquanto as outras contas permaneceram no lugar, como um sólido.

Mas os pesquisadores misturaram as contas girando o copo ao longo de diferentes eixos. Para rastrear o quão bem as contas se misturaram, eles colocaram uma partícula traçadora de 4 mm dentro e, em seguida, executaram as rotações repetidamente, às vezes até 500 vezes, e tirou imagens de raio-X da esfera para ver onde a partícula traçadora foi parar.

Apesar de tentar vários protocolos rotacionais diferentes, os pesquisadores descobriram que havia inevitavelmente regiões que se misturavam e regiões que não se misturavam. Este foi o resultado da interação entre os dois métodos de mistura, cortar e embaralhar e esticar e dobrar.

"Mesmo que o material muitas vezes se mova em cunhas dessa maneira de cortar e embaralhar, tudo o que essas cunhas fazem é se mover juntas, "disse Umbanhowar, professor pesquisador de engenharia mecânica. "Existem regiões que nunca se misturam."

A compreensão desse conceito pode levar a descobertas em lugares interessantes e inesperados, como a Loteria de Natal espanhola, onde 100, 000 pequenas bolas de madeira com números de bilhetes exclusivos são colocadas em uma esfera, enquanto 1, 807 bolas etiquetadas com prêmios são jogadas em outra. Durante o sorteio, uma bola de prêmio e um número de bilhete correspondente são retirados de cada esfera até que a esfera de bola de prêmio esteja vazia. Mas se o copo incluir regiões que são misturadas e regiões que não são, a colocação inicial da bola no copo torna-se um fator desproporcional para saber se ela será escolhida.

"Existe uma expectativa de aleatoriedade, mas nossos resultados mostram que este não é o caso, "Ottino disse.

Os pesquisadores esperam realizar estudos futuros para mostrar como essas informações podem ser aplicadas em diferentes materiais.

"Isso nos dá uma ferramenta totalmente nova para entender o que se mistura e o que não se mistura, "Umbanhowar disse." Esses resultados podem ser usados ​​como uma ferramenta de design. "