Ett team av matematiker från University of North Carolina vid Chapel Hill och Brown University har upptäckt ett nytt fenomen som genererar en vätskekraft som kan flytta och binda partiklar nedsänkta i densitetsskiktade vätskor. Genombrottet erbjuder ett alternativ till tidigare hållna antaganden om hur partiklar ackumuleras i sjöar och hav och kan leda till tillämpningar för att lokalisera biologiska hotspots, städning av miljön och även vid sortering och packning.

Hur materia sedimenterar och aggregerar under gravitation i vätskesystem, som sjöar och hav, är ett brett och viktigt område för vetenskapliga studier, en som i hög grad påverkar mänskligheten och planeten. Tänk på "marin snö, " skuren av organiskt material som ständigt faller från övre vatten till djuphavet. Inte bara är näringsrik marin snö viktig för den globala näringskedjan, men dess ansamlingar i saltdjupet representerar jordens största kolsänka och en av de minst förstådda komponenterna i planetens kolcykel. Det finns också en växande oro över mikroplaster som virvlar i havsgyres.

Ansamling av partiklar i havet har länge uppfattats som ett resultat av slumpmässiga kollisioner och vidhäftning. Men ett helt annat och oväntat fenomen är på gång i vattenpelaren, enligt en tidning publicerad 20 december in Naturkommunikation av ett team ledd av professorerna Richard McLaughlin och Roberto Camassa från Carolina Center for Interdisciplinary Applied Mathematics vid College of Arts &Sciences, tillsammans med deras UNC-Chapel Hill doktorand Robert Hunt och Dan Harris från School of Engineering vid Brown University.

I tidningen, forskarna visar att partiklar suspenderade i vätskor med olika densitet, såsom havsvatten med varierande salthalt, uppvisar två tidigare oupptäckta beteenden. Först, partiklarna självmonterar sig utan elektrostatisk eller magnetisk attraktion eller, när det gäller mikroorganismer, utan framdrivningsanordningar som slagande flageller eller flimmerhår. Andra, de klumpar ihop sig utan behov av lim eller andra bindningskrafter. Ju större klustret, desto starkare är attraktionskraften.

Som så många upptäckter, den här började av misstag, för ett par år sedan, under en demonstration för VIPs som besöker Joint Applied Mathematics and Marine Sciences Fluids Lab som Camassa och McLaughlin driver. Paret, länge fascinerad av skiktade vätskor, avsedd att visa ett favoritknep för salonger – hur sfärer som dumpats i en tank med saltvatten kommer att "studsa" på väg till botten, så länge som vätskan är likformigt skiktad av densitet. Men doktoranden som ansvarar för experimentet gjorde ett misstag när han ställde in densiteten för den lägre vätskan. Sfärerna studsade och hängde sedan där, nedsänkt men inte sjunker till botten.

"Och sedan tog jag ett bra beslut, sa McLaughlin, "för att inte städa upp röran." Gå hem, berättade han för studenten. Väl, ta itu med det senare. Nästa morgon, bollarna var fortfarande suspenderade, men de hade börjat klunga ihop sig – för att självmontera utan någon uppenbar anledning.

Forskarna upptäckte så småningom orsaken, även om det tog mer än två år av benchmark experimentella studier och massor av matematik.

Du kan se fenomenet i verkligheten i en video som forskarna producerade. Mikropärlor av plast som tappas ner i en behållare med saltvatten toppad med mindre tätt sötvatten dras ned av tyngdkraften och drivs uppåt av flytkraft. När de hänger upphängda, samspelet mellan flytkraft och diffusion – som verkar för att balansera ut saltets koncentrationsgradient – ​​skapar flöden runt mikropärlorna, får dem att sakta röra sig. Istället för att röra sig slumpmässigt, dock, de klumpar ihop sig, lösa sina egna pusselliknande pussel. När klustren växer, vätskekraften ökar.

"Det är nästan som att vi upptäckt en effektiv ny kraft, sa Camassa.

Upptäckten av denna tidigare okända förstaprincipmekanism öppnar dörrarna till förståelse för hur materia organiserar sig i miljön. I mycket skiktade vattenförekomster, såsom flodmynningar och djuphavet, att matematiskt förstå fenomenet kan göra det möjligt för forskare att modellera och förutsäga platsen för biologiska hotspots, inklusive utfodringsplatser för kommersiell fisk eller hotade arter. Att utnyttja kraften i fenomenet kan också leda till bättre sätt att lokalisera havsmikroplaster eller till och med petroleum från djuphavsoljeutsläpp. Eller, i en industriell storleksversion av Fluids Lab-experimentet, mekanismen kan användas för att sortera material med olika densiteter, till exempel olika färger av krossat återvinningsbart glas.

"Vi har arbetat i flera år med stratifierade system, tittar vanligtvis på hur saker faller genom dem, " sa McLaughlin. "Detta är en av de mest spännande sakerna jag har stött på i min karriär."