Flödet av granulära material, såsom sand och katalytiska partiklar som används i kemiska reaktorer, förklarar ett brett spektrum av naturfenomen, från lerskred till vulkaner, och möjliggör ett brett utbud av industriella processer, från läkemedelsproduktion till kolavskiljning. Medan rörelse och blandning av granulärt material ofta uppvisar slående likheter med vätskor, som i rörliga sanddyner, laviner, och kvicksand, fysiken bakom granulära flöden är inte lika välkänd som vätskeflöden.

Nu, en ny upptäckt av Chris Boyce, biträdande professor i kemiteknik vid Columbia Engineering, förklarar en ny familj av gravitationsinstabiliteter i granulära partiklar med olika densitet som drivs av en gaskanalmekanism som inte syns i vätskor. I samarbete med energi- och ingenjörsvetenskapsprofessor Christoph Müllers grupp vid ETH Zürich, Boyces team observerade en oväntad Rayleigh-Taylor (R-T)-liknande instabilitet där lättare korn stiger upp genom tyngre korn i form av "fingrar" och "granulära bubblor." R-T instabilitet, som produceras av växelverkan mellan två vätskor med olika densitet som inte blandas - olja och vatten, till exempel – för att tändvätskan trycker undan den tyngre, har inte setts mellan två torra granulära material.

Studien, publiceras idag i Proceedings of the National Academy of Sciences , är den första som visar att "bubblor" av lättare sand bildas och stiger genom tyngre sand när de två typerna av sand utsätts för vertikala vibrationer och gasflöde uppåt, liknande bubblorna som bildas och stiger i lavalampor. Teamet fann att precis som luft- och oljebubblor stiger upp i vatten för att de är lättare än vatten och inte vill blandas med det, bubblor av lätt sand stiger genom tyngre sand trots att två typer av sand gärna blandas.

"Vi tror att vår upptäckt är transformerande, " säger Boyce "Vi har hittat en granulär analog till en av de sista större vätskemekaniska instabiliteterna. Medan analoger av de andra stora instabiliteterna har upptäckts i granulära flöden under de senaste decennierna, R-T-instabiliteten har undgått direkt jämförelse. Våra fynd kunde inte bara förklara geologiska formationer och processer som ligger bakom mineralfyndigheter, men kan också användas i pulverbearbetningstekniker inom energi, konstruktion, och läkemedelsindustrin."

Boyces grupp använde experimentell och beräkningsmodellering för att visa att gaskanalisering genom lättare partiklar utlöser bildandet av finger- och bubbelmönster. Gaskanaliseringen uppstår eftersom klustren av tändare, större partiklar har högre permeabilitet för gasflöde än de tyngre, mindre korn. Den R-T-liknande instabiliteten i granulära material uppstår från en konkurrens mellan uppåtgående dragkraft ökad lokalt av gaskanalisering och nedåtgående kontaktkrafter, en fysisk mekanism helt annorlunda än den som finns i vätskor.

De fann att denna gaskanaliseringsmekanism också genererar andra gravitationsinstabiliteter, inklusive kaskadförgrening av en fallande granulär droppe. De visade också att den R-T-liknande instabiliteten kan uppstå under en mängd olika gasflödes- och vibrationsförhållanden, bildar olika strukturer under olika excitationsförhållanden.

"Dessa instabiliteter, som kan appliceras på en mängd olika system, kasta nytt ljus på granulär dynamik och föreslå nya möjligheter för mönstring inom granulära blandningar för att bilda nya produkter inom läkemedelsindustrin, till exempel, "Boyce tillägger. "Vi är särskilt glada över den potentiella inverkan av våra fynd på de geologiska vetenskaperna - dessa instabiliteter kan hjälpa oss att förstå hur strukturer har bildats under jordens långa historia och förutsäga hur andra kan bildas i framtiden."

Boyce undersöker nu andra vätskeliknande och strukturerade fenomen i sandpartiklar och kvantifierar deras beteende. Han är också i samtal med geologer och vulkanologer för att utforska mer om hur denna process och liknande sker i den naturliga världen.