Compreender a dinâmica dos materiais granulares - como areia fluindo por uma ampulheta ou sal despejando em um agitador - é um grande problema não resolvido na física. Um novo artigo descreve um padrão de como eventos de "agitação" de tamanho recorde afetam a dinâmica de um material granular à medida que ele se move de um estado animado para um relaxado, aumentando a evidência de que uma teoria unificadora está por trás desse comportamento.

o Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) publicou o trabalho de Stefan Boettcher, um físico teórico Emory, e Paula Gago, um especialista em modelagem da mecânica estatística da matéria granular no Departamento de Ciências da Terra e Engenharia do Imperial College de Londres.

"Nosso trabalho marca mais um pequeno passo para descrever o comportamento de materiais granulares de maneira uniforme, "diz Boettcher, professor e catedrático do Departamento de Física de Emory.

"Uma compreensão completa dos materiais granulares pode ter um grande impacto em uma série de indústrias, ", acrescenta." Para citar apenas alguns exemplos, é relevante para a compactação de grânulos em pelotas para fazer pílulas, o processamento de grãos na agricultura e a previsão do comportamento de todos os tipos de matéria geofísica envolvida na engenharia civil. "

Os materiais granulares são sistemas desordenados frequentemente encontrados em um estado distante do equilíbrio. Os exemplos incluem tudo, desde areia, arroz e borra de café para rolamentos de esferas.

"Eles são uma espécie de 'bolas estranhas' da matéria porque se comportam de maneira diferente dos sólidos, líquidos e gases, "Boettcher diz.

Enquanto as fases da água, por exemplo, pode ser facilmente descrito como um líquido, sólido ou gasoso, dependendo de temperaturas específicas, a termodinâmica dos sistemas em desequilíbrio não é bem definida. Uma das principais complicações é o fato de que as partículas individuais na maioria dos materiais granulares têm diferentes, propriedades distintas e exercem forças de atrito uns sobre os outros. E as mudanças na temperatura não produzem movimento significativo neles. A gravidade complica ainda mais o comportamento de materiais granulares, uma vez que afeta a densidade de diferentes camadas em um sistema de partículas.

Em 1997, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de agitar materiais granulares de maneira controlável para uma série de experimentos no que é conhecido como "pilha de Chicago". Eles encheram um copo de vidro com contas de vidro do tamanho de um mícron e "bateram" o material para cima com uma amplitude específica. Eles foram então capazes de medir a densidade resultante do material no copo em função da força das torneiras, ou a energia pulsando através do sistema.

Boettcher e seu colaborador queriam obter uma compreensão em nível molecular da dinâmica de compactação de uma pilha granular por meio da análise de simulações de computador. Eles estavam particularmente interessados ​​em comparar a densidade de uma pilha granular em um estado animado e relaxado para procurar padrões.

Inspirado nos experimentos da pilha de Chicago, os pesquisadores executaram simulações de computador com base em 60, 000 esferas, de 1 a 1,02 micrômetros de diâmetro, contido em um cilindro vertical de 2,4 centímetros de diâmetro. O cilindro é acionado por meio de pulsos de energia sintonizados em amplitudes precisas. A tecnologia permite aos pesquisadores medir a densidade da pilha local e globalmente, rastreando o número variável de partículas vizinhas que cada partícula toca.

As simulações mostraram que quando uma série de machos tem exatamente a mesma força, a densidade da pilha aumenta cada vez mais lentamente, ou logaritmicamente. À medida que os toques continuam ao longo do tempo, cada vez maior, Mudanças de tamanho recorde no arranjo dos grãos são necessárias para aumentar a densidade da pilha. Essas flutuações de tamanho recorde são cada vez mais difíceis de alcançar, explicando os lentos ganhos de densidade.

"Você pode pensar nisso como um copo cheio de areia solta, "Boettcher explica." No início, há grandes buracos entre os grãos. Então, inicialmente, é fácil para um grão mudar de posição caindo em um espaço vazio. Mas à medida que esses espaços começam a ficar menores, torna-se menos provável que um grão possa cair através de um. Conforme as torneiras continuam, são necessários eventos cada vez mais cooperativos para criar o espaço necessário para mais compactação. "

Pesquisas anteriores mostraram um padrão estatístico semelhante para o comportamento de sólidos amorfos que não formam cristais ordenados ao passar do estado líquido para o sólido, como vidro e muitos polímeros.

"Isso sugere que esse padrão pode ser uma peça do quebra-cabeça para encontrar uma maneira sistemática de descrever materiais que estão fora de equilíbrio, "Boettcher diz.

Os pesquisadores agora estão se aprofundando na questão de se a energia cinética das torneiras pode ser equivalente à forma como a temperatura é usada para descrever materiais na física clássica.