O fluxo de materiais granulares, como areia e partículas catalíticas usadas em reatores químicos, explica uma ampla gama de fenômenos naturais, de deslizamentos de lama a vulcões, e permite uma ampla gama de processos industriais, da produção farmacêutica à captura de carbono. Embora o movimento e a mistura de matéria granular muitas vezes exibam semelhanças impressionantes com os líquidos, como em dunas de areia em movimento, avalanches, e areia movediça, a física subjacente aos fluxos granulares não é tão bem compreendida quanto os fluxos líquidos.

Agora, uma descoberta recente de Chris Boyce, professor assistente de engenharia química na Columbia Engineering, explica uma nova família de instabilidades gravitacionais em partículas granulares de diferentes densidades que são impulsionadas por um mecanismo de canalização de gás não visto em fluidos. Em colaboração com o grupo do Professor Christoph Müller de Ciências de Energia e Engenharia na ETH Zurique, A equipe de Boyce observou uma instabilidade inesperada do tipo Rayleigh-Taylor (R-T), na qual grãos mais leves sobem através de grãos mais pesados ​​na forma de "dedos" e "bolhas granulares". Instabilidades R-T, que são produzidos pelas interações de dois fluidos de diferentes densidades que não se misturam - óleo e água, por exemplo, porque o fluido de isqueiro empurra para o lado o mais pesado, não foram vistos entre dois materiais granulares secos.

O estudo, publicado hoje no Proceedings of the National Academy of Sciences , é o primeiro a demonstrar que "bolhas" de areia mais leve se formam e sobem através da areia mais pesada quando os dois tipos de areia estão sujeitos a vibração vertical e fluxo de gás ascendente, semelhantes às bolhas que se formam e sobem nas lâmpadas de lava. A equipe descobriu que, assim como bolhas de ar e óleo sobem na água porque são mais leves que a água e não querem se misturar com ela, bolhas de areia fina sobem através da areia mais pesada, embora dois tipos de areia gostem de se misturar.

"Achamos que nossa descoberta é transformadora, "diz Boyce" Encontramos um análogo granular de uma das últimas grandes instabilidades mecânicas de fluido. Embora análogos das outras grandes instabilidades tenham sido descobertos em fluxos granulares nas últimas décadas, a instabilidade R-T evitou a comparação direta. Nossas descobertas podem não apenas explicar as formações geológicas e os processos que fundamentam os depósitos minerais, mas também pode ser usado em tecnologias de processamento de pó na energia, construção, e indústrias farmacêuticas. "

O grupo de Boyce usou modelagem experimental e computacional para mostrar que a canalização de gás através de partículas mais leves desencadeia a formação de padrões de dedos e bolhas. A canalização do gás ocorre porque os aglomerados de mais leves, partículas maiores têm uma maior permeabilidade ao fluxo de gás do que as mais pesadas, grãos menores. A instabilidade do tipo R-T em materiais granulares surge de uma competição entre a força de arrasto para cima aumentada localmente pela canalização de gás e as forças de contato para baixo, um mecanismo físico totalmente diferente daquele encontrado nos líquidos.

Eles descobriram que este mecanismo de canalização de gás também gera outras instabilidades gravitacionais, incluindo a ramificação em cascata de uma gota granular descendente. Eles também demonstraram que a instabilidade do tipo R-T pode ocorrer sob uma ampla variedade de condições de fluxo de gás e vibração, formando estruturas diferentes sob diferentes condições de excitação.

"Essas instabilidades, que pode ser aplicado a uma variedade de sistemas, lançar uma nova luz sobre a dinâmica granular e sugerir novas oportunidades de padronização em misturas granulares para formar novos produtos na indústria farmacêutica, por exemplo, "Boyce acrescenta." Estamos especialmente entusiasmados com o impacto potencial de nossas descobertas nas ciências geológicas - essas instabilidades podem nos ajudar a entender como as estruturas se formaram ao longo da longa história da Terra e prever como outras podem se formar no futuro. "

Boyce agora está investigando outros fenômenos semelhantes a líquidos e estruturados em partículas de areia e quantificando seu comportamento. Ele também está conversando com geólogos e vulcanólogos para explorar mais sobre como esse processo e outros semelhantes ocorrem no mundo natural.