Att doppa ett rör i en behållare fylld med vatten får vattnet att stiga i röret. Detta fenomen kallas flytande kapillaritet. Det ansvarar för många naturliga och tekniska processer, till exempel vattenabsorption av träd, bläck stiger i en reservoarpenna, och svampar som absorberar diskvatten. Men vad händer om röret doppas i en behållare som inte är fylld med vatten utan med sand? Svaret är - ingenting. Dock, om röret skakas upp och ner, sanden börjar också stiga. Forskare har nu upptäckt mekanismen bakom denna effekt, den så kallade granulära kapilläreffekten.

Dr Eric J. R. Parteli från University of Kölns institution för geovetenskap, Professor Fengxian Fan från University of Shanghai för vetenskap och teknik, och professor Thorsten Pöschel från Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg har nu publicerat resultaten av sin studie 'Origin of Granular Capillarity Revealed by Particle-Based Simulations' i Fysiska granskningsbrev .

Vätskekapillaritet beror på samspelet mellan olika molekylära krafter:attraktionen mellan de flytande molekylerna håller den ihop medan attraktionen mellan molekyler och rör driver vätskan uppåt. Denna förklaring utesluter förekomsten av kapillaritet för sand eftersom sandkorn är så mycket större än deras bestående molekyler att intermolekylära krafter säkert kan försummas jämfört med gravitation och kornströghet. Dock, förvånande, granulär kapillaritet har observerats i laboratorieexperiment där det granulära materialet utsattes för en liten vertikal vibration med några korndiametrar i amplitud och en frekvens på bara några få Hertz. Ursprunget till denna granulära kapilläreffekt var ett mångårigt mysterium som det internationella teamet av forskare lyckas avslöja.

De undersökte problemet med hjälp av en partikelbaserad numerisk simuleringsmetod som kallas Discrete Element Method. I denna metod, banan för varje enskilt korn beräknas genom numerisk lösning av Newtons ekvationer för translationell och rotationsrörelse på grund av de krafter som verkar på varje korn. Med hjälp av ett sådant numeriskt experiment, det är således möjligt att spåra banan och hastigheten för alla korn, inklusive de korn som är djupt inne i den granulära massan, som är svåra att bedöma i laboratoriet.

Forskargruppen observerade i sina simuleringar att det som får sandpelaren att stiga upp i röret är en konvektiv rörelse av sandkornen i mottagaren som är inneboende i granulatmaterial under vertikala vibrationer. Detta konvektiva flöde orsakar lateral masstransport inom den vibrerande granulära packningen, vilket leder till ett tryck uppåt på basen av den granulära kolonnen i röret, det är därför kolumnen stiger. Forskarna fann att hur snabbt och långt kolonnen stiger beror på rörstorleken. Anmärkningsvärt, simuleringarna visade att höjden på den granulära menisken (kapillärhöjden som den granulära kolonnen når efter en lång tid) är proportionell mot inversen av rörstorleken. Detta är exakt samma beteende som för flytande kapillaritet, även om drivkrafterna i de två systemen är så mycket olika.

Fysikerna visade i sin studie att samma kapilläreffekt kan åstadkommas genom att skaka röret istället för behållaren, vilket öppnar lovande applikationer inom hanterings- och transportsektorerna. Till exempel, partiklar kunde pumpas upp från mycket stora behållare bara genom att använda granulär kapillaritet. De studerar nu processen mer ingående för att förstå effekten av system- och partikelgeometri.