Att förstå dynamiken i granulära material - som sand som strömmar genom ett timglas eller salt som häller genom en shaker - är ett stort olöst problem inom fysiken. Ett nytt papper beskriver ett mönster för hur rekordstora "skakande" händelser påverkar dynamiken i ett granulärt material när det rör sig från ett upphetsat till ett avslappnat tillstånd, lägga till bevis för att en enande teori ligger till grund för detta beteende.

De Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ) publicerade verket av Stefan Boettcher, en Emory -teoretisk fysiker, och Paula Gago, en expert på modellering av den statistiska mekaniken för granulärt material vid Institutionen för jordvetenskap och teknik vid Imperial College i London.

"Vårt arbete markerar ytterligare ett litet steg framåt för att beskriva beteendet hos granulära material på ett enhetligt sätt, säger Boettcher, professor och ordförande för Emorys institution för fysik.

"En fullständig förståelse för granulatmaterial kan ha stor inverkan på en rad branscher, "tillägger han." För att bara nämna några exempel, det är relevant för komprimering av granulat till pellets för att göra piller, bearbetning av spannmål i jordbruket och att förutsäga beteenden för alla typer av geofysiska ämnen som är inblandade i anläggningsteknik. "

Granulära material är störda system som ofta finns i ett långt från jämviktstillstånd. Exempel inkluderar allt från sand, ris och kaffesump till kullager.

"De är typ av" udda kulor "av materia eftersom de beter sig annorlunda än fasta ämnen, vätskor och gaser, "Säger Boettcher.

Medan faserna av vatten, till exempel, kan enkelt beskrivas som antingen en vätska, fast eller gas, beroende på specifika temperaturer, termodynamiken i icke-jämviktssystem är inte väldefinierad. En stor komplikation är det faktum att enskilda partiklar i de flesta granulära material har olika, distinkta egenskaper och utövar friktionskrafter på varandra. Och temperaturförändringar ger inte betydande rörelse i dem. Tyngdkraften komplicerar ytterligare beteendet hos granulära material, eftersom det påverkar densiteten hos olika lager i ett partikelsystem.

1997, forskare utvecklade ett sätt att skaka granulära material på ett kontrollerbart sätt för en rad experiment på det som kallas "Chicago -högen". De fyllde en glasbägare med glaspärlor i mikronstorlek och "knackade" upp materialet med en specifik amplitud. De kunde sedan mäta den resulterande densiteten av materialet i bägaren som en funktion av kranarnas hållfasthet, eller energin som pulserar genom systemet.

Boettcher och hans medarbetare ville få en molekylär förståelse för komprimeringsdynamiken i en granulär hög genom analys av datorsimuleringar. De var särskilt intresserade av att jämföra en granulär högstäthet i både ett upphetsat och avslappnat tillstånd för att leta efter mönster.

Inspirerad av Chicago -högens experiment, forskarna körde datasimuleringar baserade på 60, 000 sfärer, från 1 till 1,02 mikrometer i diameter, finns i en vertikal cylinder 2,4 centimeter i diameter. Cylindern tappas genom energipulser inställda på exakta amplituder. Tekniken gör det möjligt för forskarna att mäta högens densitet lokalt och globalt genom att spåra det skiftande antalet närliggande partiklar som varje enskild partikel rör vid.

Simuleringarna visade att när en serie kranar har exakt samma styrka, högens densitet ökar allt långsammare, eller logaritmiskt. När kranarna fortsätter över tiden, allt större, rekordstora förändringar i kornens placering krävs för att öka högens densitet. Dessa rekordstora fluktuationer blir allt svårare att uppnå, förklarar de långsamma vinsterna i densitet.

"Du kan tänka på det som en bägare fylld med lös sand, ”Förklarar Boettcher.” Först finns det stora hål mellan kornen. Så inledningsvis det är lätt för ett spannmål att flytta position genom att falla i ett tomt utrymme. Men när dessa utrymmen börjar bli mindre, det blir mindre troligt att ett säd kan falla genom ett. När kranarna fortsätter, det krävs alltmer kooperativa evenemang för att skapa utrymme som behövs för mer komprimering. "

Tidigare forskning har visat ett liknande statistiskt mönster för beteendet hos amorfa fasta ämnen som inte bildar ordnade kristaller när de rör sig från en vätska till ett fast tillstånd, såsom glas och många polymerer.

"Det tyder på att detta mönster kan vara en pusselbit för att hitta ett systematiskt sätt att beskriva material som är ur jämvikt, "Säger Boettcher.

Forskarna dyker nu djupare in i frågan om kranarnas rörelseenergi kan vara ekvivalent med hur temperaturen används för att beskriva material i klassisk fysik.