Det är enkelt att blanda vätskor, eller åtminstone vetenskapligt förstått:en droppe matfärg kommer så småningom att blanda sig i en kopp vatten genom diffusion, och en klick grädde kan blandas till kaffe med en sked genom det som kallas turbulent blandning.
Men vad händer om materialet har egenskaperna hos både vätskor och fasta ämnen, vilket är fallet för material som betong, måla, och sand? Kallas avkastningsspänningsmaterial, dessa blandningar kan både flyta som vätskor och förbli stilla som fasta ämnen.
Att förstå hur dessa materialblandningar har konsekvenser i industrier som läkemedel och betongtillverkning, men lite är fortfarande känt om hur man bäst blandar dem.
I ett nytt papper i Naturkommunikation , Northwestern Engineering-professorer finner att blandning av strängmaterial för avkastning skapar både blandade och icke-blandade regioner, ger en grundläggande början för att förstå hur man bäst utformar blandningsprotokoll. Julio M. Ottino, Paul Umbanhowar, och Richard Lueptow fungerade som tidningens medförfattare.
"De teoretiska grunderna för flödet av granulär materia är fortfarande mycket ofullständiga, "sade Ottino, Walter P. Murphy Professor i kemi- och biologisk teknik. "Vi fann en anmärkningsvärd uthållighet i ordningen mitt i kaos."
I fråga var hur väl granulärt material kunde blandas i ett grundläggande system:en sfärisk tumlare. Skulle materialet blandas som ett fast, genom en "skär-och-blandning" -metod som liknar en kortlek? Eller skulle det blanda som en viskös vätska, som honung, genom ett "sträck-och-vikningsmönster"?
För att testa denna idé, forskarna halvfyllda en sfärisk tumlare med 2 millimeter stora glaspärlor. När den roteras, det översta lagret av pärlor rann som en vätska ner till sfärens botten, medan de andra pärlorna förblev på plats, som ett fast ämne.
Men forskare blandade pärlorna genom att rotera tumlaren längs olika axlar. För att spåra hur bra pärlorna blandades, de placerade en 4 mm spårpartikel inuti och körde sedan rotationerna om och om igen, ibland upp till 500 gånger, och tog röntgenbilder av sfären för att se var spårpartikeln hamnade.
Trots att man provat flera olika rotationsprotokoll, forskarna fann att det oundvikligen fanns regioner som blandade och regioner som inte blandade. Detta var resultatet av samspelet mellan de två blandningsmetoderna, klippa-och-blanda och sträcka-och-vika.
"Även om materialet ofta rör sig i kilar på det här sättet att skära och blanda, allt de kilarna gör är att röra sig tillsammans, sa Umbanhowar, forskningsprofessor i maskinteknik. "Det finns regioner som aldrig blandas."
Att förstå detta koncept kan leda till insikter på intressanta och oväntade platser, som det spanska jullotteriet, var 100, 000 små träkulor med unika biljettnummer tumlas i en sfär, medan 1, 807 bollar märkta med priser faller i en annan. Under ritningen, en prisboll och ett motsvarande biljettnummer plockas från varje sfär tills prisbollsfären är tom. Men om tumlaren inkluderar regioner som är blandade och regioner som inte är det, bollens initiala placering i tumlaren blir en överdriven faktor för om den kommer att väljas.
"Det finns en förväntan på slumpmässighet, men våra resultat visar att så inte är fallet, "Sa Ottino.
Forskarna hoppas kunna genomföra framtida studier för att visa hur denna information kan tillämpas på olika material.
"Detta ger oss ett helt nytt verktyg för att förstå vad som blandas och vad som inte blandas, "Sade Umbanhowar." Dessa resultat kan i slutändan användas som ett designverktyg. "
