Det händer utanför ditt fönster varje gång det regnar:Jorden blir blöt och kan bilda klibbig lera. Sedan torkar det. Senare kan det regna igen. Varje vätning och återvätning påverkar jordens struktur och stabilitet. Dessa förändringar beaktas när, till exempel, arkitekter och ingenjörer designar, webbplats, och bygga byggnader. Men mer allmänt, vetenskapen om hur partiklar håller ihop och sedan dras isär berör fält så olika som naturrisker, gödsling av grödor, cementproduktion, och läkemedelsdesign.

Att förena dessa olika områden, ett team vid University of Pennsylvania har funnit att när partiklar är blöta och sedan får torka, storleken på dessa partiklar har mycket att göra med hur starkt de håller ihop – och om de håller ihop eller faller isär nästa gång de vätas.

Vad ger dessa klibbiga aggregat styrka, laget hittade, är tunna broar som bildas när partiklar av materialet suspenderas i en vätska och sedan får torka, lämnar tunna strängar av partiklar som förbinder större klumpar. Strängarna, som forskarna kallar solida broar, öka aggregatens stabilitet 10- till 100-faldigt.

Forskarna rapporterade sina resultat i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Detta solida överbryggande fenomen kan vara allestädes närvarande och viktigt för att förstå styrkan och eroderbarheten hos naturliga jordar, säger Paulo Arratia, en flödesmekanikingenjör vid Penns School of Engineering and Applied Science, och en medförfattare till studien.

"Vi fann att en partikels storlek kan uppväga bidraget från dess kemiska egenskaper när det gäller att bestämma hur starkt den fastnar vid andra partiklar, " tillägger Douglas Jerolmack, en geofysiker vid Högskolan för konst och naturvetenskap och tidningens motsvarande författare.

Forskargruppen leddes av Ali Seiphoori, tidigare postdoc i Jerolmacks labb och nu vid MIT, och inkluderade fysik postdoc Xiao-guang Ma. Det aktuella arbetet kom från undersökningar som de hade drivit i samarbete med Penns Perelman School of Medicine om asbest, specifikt hur dess nålliknande fibrer fastnar vid varandra och till andra material för att bilda aggregat. Det fick dem att tänka mer allmänt på vad som bestämmer styrkan och stabiliteten hos ett aggregat.

Gruppen tog ett experimentellt tillvägagångssätt för att besvara denna fråga genom att skapa en enkel modell för partikelaggregation. De hängde upp glaskulor i två storlekar, 3 mikron och 20 mikron, i en droppe vatten. (Som referens, ett människohår är ungefär 50 till 100 mikron brett.) När vattnet avdunstade, kanterna på droppen drog sig tillbaka, drar partiklarna inåt. Så småningom förvandlades den krympande vattendroppen till flera mindre droppar förbundna med en tunn vattenbro, känd som en kapillärbro, innan det också avdunstat.

Teamet fann att de extrema sugtrycken orsakade av avdunstning drog de små partiklarna så hårt samman att de smälte samman i kapillärbryggorna, lämnar efter sig solida broar mellan de större partiklarna, som de också band till, när vattnet avdunstat helt.

När teamet återväter partiklarna, applicera vatten i ett kontrollerat flöde, de fann att aggregat som enbart består av 20 mikron-partiklarna var mycket lättare att bryta och återsuspendera än de som var sammansatta av antingen de mindre partiklarna, eller blandningar av små och större partiklar.

"Vi fann att om aggregat som bara består av partiklar större än 5 mikron återvätes, de kollapsade, " säger Jerolmack. "Men under 5 mikron, ingenting händer, aggregaten var stabila."

I ytterligare tester med blandningar av partiklar av fyra olika storlekar - närmare efterliknar naturlig jordsammansättning - fann forskarna att samma överbryggande effekt inträffade i olika skalor:De största partiklarna överbryggades av de näst största, som i sin tur överbryggades av den tredje största, som själva stabiliserades av broar av de minsta partiklarna. Även blandningar som bara innehöll en liten bråkdel av mindre partiklar blev stabilare tack vare fast bryggbildning.

Hur mycket stabilare? Att få reda på, Seiphoori limmade noggrant sonden från ett atomkraftmikroskop på en enda partikel, låt det stå, och kvantifierade sedan "dragkraften" som krävs för att avlägsna den partikeln från aggregatet. Upprepa detta för partiklar i aggregat av både stora och små partiklar, de fann att partiklar var 10 till 100 gånger svårare att dra av när de hade bildat en solid brostruktur än i andra konfigurationer.

För att övertyga sig själva om att samma sak skulle vara sant med material förutom deras experimentella glaspärlor, de utförde liknande experiment med två typer av lera som båda är vanliga komponenter i naturliga jordar. Principerna höll:de mindre lerpartiklarna och närvaron av solida broar gjorde ballast stabila. Och det omvända var också sant:När lerpartiklar mindre än 5 mikron avlägsnades från suspensionerna, deras resulterande aggregat förlorade sammanhållningen.

"Lerjordar anses vara i grunden sammanhängande, säger Jerolmack, "och den sammanhållningen har vanligtvis tillskrivits deras laddning eller någon annan mineralogisk egenskap. Men vi fann detta mycket överraskande att det inte verkar vara de grundläggande egenskaperna hos lera som gör den klibbig, utan snarare det faktum att lerpartiklar tenderar att vara mycket små. Det är en helt ny förklaring till sammanhållning."

Dessa nya insikter om partikelstorlekens bidrag till aggregatstabiliteten öppnar nya möjligheter för att överväga hur man kan förbättra stabiliteten hos material som jord eller cement när så önskas. "Du kan tänka dig att stabilisera jordar innan ett byggprojekt genom att lägga till mindre partiklar som hjälper till att binda ihop jorden, säger Jerolmack.

Dessutom, tillverkning av en mängd olika material, från medicinsk utrustning till LED-skärmbeläggningar, förlitar sig på tunnfilmsavlagring, som forskarna säger kan dra nytta av den kontrollerade produktionen av aggregat som de observerade i sina experiment.