Sand är ett fascinerande material. Det kan flöda och hällas som en vätska, men behåller många av egenskaperna hos fasta ämnen, täpper igen rör eller bildar sanddyner. Beteendet hos samlingar av små partiklar som sand är känt som granulär fysik, och är ett oerhört viktigt område för hantering och transport av det breda utbudet av granulära material som finns som spannmål, ris, pulver och de enorma mängder sand som används i byggbranschen.

En viktig gåta för denna gren av fysiken är de stora antalet involverade. Spannmål interagerar via enkla, Newtonsk mekanik, men eftersom så många partiklar interagerar samtidigt, det finns en framväxande komplexitet av flödesbeteende som ännu inte kan förklaras med enkla ekvationer. Forskare letar alltså inte bara efter bättre teoretiska modeller för att förklara granulärt beteende, men bekväma "modellsystem" som kan hanteras och trimmas i labbet för att ge insikter i hur granulära materials mikroskopiska struktur ger upphov till deras makroskopiska egenskaper.

Ett team ledd av biträdande professor Marie Tani och professor Rei Kurita från Tokyo Metropolitan University har studerat egenskaperna hos blandningar av silikonbelagd "magisk sand, "en populär barnleksak, och vanlig sand. Silikonbelagda sandpartiklar visade sig endast interagera med varandra och inte med andra sandpartiklar. Teamet upptäckte att tillsats av silikonbelagd sand över ett visst tröskelvärde leder till en plötslig förändring i klustring och styvhet, ett potentiellt sätt att justera flödet av granulära material för industrin.

Forskarna har studerat vad som händer med sand när den blir blöt. Det är välkänt att strandsand, till exempel, beter sig helt annorlunda; sandslott är knepiga att bygga när sanden är torr. Detta beteende beror till stor del på bildandet av "bryggor" av vätska mellan partiklar, kända som kapillärbroar, kraftigt binda samman korn för att bilda bärande strukturer. Dock, homogen våt sand är notoriskt svår att förbereda i labbet; det är svårt att blanda jämnt och torkar väldigt snabbt.

För att övervinna detta problem, forskarna använde "magisk sand, "hydrofoba sandpartiklar belagda med silikonolja, allmänt tillgänglig i barnleksaker. Teamet fann att inte bara "magisk sand"-korn drar till sig varandra starkt via tunna strängar av olja, men det interagerar inte med vanlig sand, helt enkelt stöta på det som torra korn. Genom att blanda "magisk sand" och normal sand i olika förhållanden, teamet kunde fritt studera hur våt sand beter sig ner till även de minsta flytande fraktionerna, där endast vissa korn är sammankopplade via kapillärbryggor.

Med hjälp av tre oberoende metoder som involverar siktning, mäta densitet och bilda stabila högar av sand, de fann att de mekaniska egenskaperna hos blandningen förändras drastiskt när andelen magisk sand till normal sand överstiger 20 %. Detta stämde överens med fynden från perkolationsteorin, som styr hur kopplingar mellan partiklar spänner över rymden utan några brott, låta sandblandningen bete sig betydligt mer solidliknande och bära sin egen tyngd. Detta beteende är känt för polymergeler, och hjälper till att förena teoretiska tillvägagångssätt som tillämpas på helt olika material.

Teamets blandningar uppvisar också mekaniska egenskaper som lätt kan modifieras. Viktigt, metoden ger en ny, bekväm, exakt och informativt sätt att utforska granulär fysik, och kan bli den nya standarden för forskare i framtida undersökningar.