A areia é um material fascinante. Pode fluir e ser derramado como um líquido, mas retém muitas das propriedades dos sólidos, entupimento de canos ou formação de dunas de areia. O comportamento de coleções de pequenas partículas como areia é conhecido como física granular, e é um campo extremamente importante para o manuseio e transporte de uma ampla gama de materiais granulares como grãos, arroz, pós e as grandes quantidades de areia utilizadas na indústria da construção.

Um enigma chave deste ramo da física são os números envolvidos. Os grãos interagem de forma simples, Mecânica newtoniana, mas porque tantas partículas estão interagindo ao mesmo tempo, existe uma complexidade emergente do comportamento do fluxo que ainda não pode ser explicada por equações simples. Os cientistas, portanto, não estão apenas procurando melhores modelos teóricos para explicar o comportamento granular, mas "sistemas modelo" convenientes que podem ser manipulados e ajustados no laboratório para dar uma ideia de como a estrutura microscópica dos materiais granulares dá origem às suas propriedades macroscópicas.

Uma equipe liderada pela Professora Assistente Marie Tani e pelo Professor Rei Kurita da Universidade Metropolitana de Tóquio estudou as propriedades das misturas de "areia mágica revestida de silicone" "um brinquedo popular para crianças, e areia normal. Descobriu-se que as partículas de areia revestidas de silicone interagem apenas umas com as outras e não com outras partículas de areia. A equipe descobriu que adicionar areia revestida de silicone além de um certo limite leva a uma mudança abrupta no agrupamento e rigidez, uma forma potencial de ajustar o fluxo de materiais granulares para a indústria.

Os pesquisadores estudam o que acontece com a areia quando ela fica molhada. É bem sabido que a areia da praia, por exemplo, se comporta de maneira completamente diferente; castelos de areia são difíceis de construir quando a areia está seca. Este comportamento é em grande parte devido à formação de "pontes" de líquido entre as partículas, conhecidas como pontes capilares, amarrando fortemente os grãos para formar estruturas de suporte de carga. Contudo, areia úmida homogênea é notoriamente difícil de preparar em laboratório; é difícil misturar uniformemente e seca muito rapidamente.

Para superar esse problema, os pesquisadores usaram "areia mágica, "partículas de areia hidrofóbicas revestidas com óleo de silicone, comumente disponível em brinquedos infantis. A equipe descobriu que não apenas os grãos de "areia mágica" se atraem fortemente por meio de finos fios de óleo, mas não interage com a areia normal, simplesmente esbarrando nele como grãos secos. Ao misturar "areia mágica" e areia normal em diferentes proporções, a equipe pode estudar livremente como a areia molhada se comporta até mesmo nas menores frações líquidas, onde apenas alguns grãos são conectados por meio de pontes capilares.

Usando três métodos independentes envolvendo peneiramento, medir a densidade e formar montes estáveis ​​de areia, eles descobriram que as propriedades mecânicas da mistura mudam drasticamente quando a fração de areia mágica para areia normal excede 20%. Isso está de acordo com as descobertas da teoria de percolação, que governa como as conexões entre as partículas abrangem o espaço sem nenhuma quebra, deixando a mistura de areia se comportar de uma maneira significativamente mais sólida e suportar seu próprio peso. Este comportamento é conhecido por géis de polímero, e ajuda a unificar abordagens teóricas aplicadas a materiais completamente diferentes.

As misturas da equipe também apresentam propriedades mecânicas que podem ser facilmente modificadas. Mais importante, o método fornece um novo, conveniente, forma precisa e informativa de explorar a física granular, e pode se tornar o novo padrão para cientistas em investigações futuras.