Forskare från Tokyo Metropolitan University har identifierat viktiga likheter mellan beteendet hos granulära material och smältande geler. De fann att fallande sandbäddar delar samma destabiliseringsmekanism som smältande gelatin när det värms upp underifrån, särskilt hur nyckelparametrar skalas med tjockleken på det fluidiserade området. Deras resultat, publicerade i Scientific Reports , ger viktiga inbrytningar i vår förståelse av destabilisering under gravitation, som ses i laviner, jordskred och industriella transportprocesser.

Sand och gelé kanske inte ser likadana ut, men de har liknande fysiska egenskaper. Sand består av miljarder korn av fast material, som kan rinna som en vätska och täppa till rör som ett fast material. Material som gelatinlösningar häller som en vätska vid hög temperatur, men får plötsligt fasta egenskaper när de kyls. När man tittar på de mikroskopiska detaljerna är det uppenbart att gelers soliditet stöds av nätverk av polymer eller protein som korsar ett material; detta liknar hur "kraftkedjor", nätverk av korn som trycker på varandra, ger upphov till sandens skenbara soliditet. Denna fascinerande korsning av fast och vätskeliknande beteende utgör ryggraden i många naturfenomen, som laviner och jordskred, men är fortfarande dåligt förstådd.

Dessa likheter inspirerade Dr Kazuya Kobayashi och professor Rei Kurita vid Tokyo Metropolitan University att direkt jämföra fysiska geler och sandbäddar när de flyter. De observerade fluidiseringen av tunna bäddar av sand och gelatinlösningar med hjälp av höghastighetskameror. För sand vändes förformade bäddar av korn i antingen luft eller vatten och observerades när basen börjar falla ut. För gelatin bereddes två lager med olika koncentrationer av gelatin, det ena ovanpå det andra. Koncentrationerna valdes så att det undre skiktet först skulle fluidiseras fullständigt. När materialet värms upp underifrån skulle det övre lagret destabiliseras och börja falla.

I båda systemen hittade teamet fingersättningsinstabilitet, där tunna fingrar av material faller in i materialet (eller luft/vatten) nedanför, som liknar regndroppar som faller nerför ett fönster. Med tiden skulle nya fingrar dyka upp mellan befintliga och gränssnittet mellan de flytande och fasta delarna skulle minska. Genom att använda en speciell avbildningsteknik kunde teamet också identifiera en "fluidiserad" gränssnittsregion ovanför där fingrarna faktiskt börjar. Tjockleken på denna region visade sig vara starkt korrelerad till nyckelparametrar som hastigheten med vilken fronten går tillbaka och avståndet mellan fingrarna. Denna typ av relation kallas ett "skalnings"-förhållande och är viktigt inom fysiken för att koppla samman fenomen som kan verka annorlunda initialt men som kan vara relaterade på en djupare nivå genom sina mekanismer. I det här fallet är detta ett starkt bevis för hur likheterna mellan materialen, det vill säga anslutningen av ett kraftbärande nätverk, ligger till grund för deras makroskopiska fysiska beteende.

Genom sina omfattande experiment ger teamets arbete värdefulla insikter i hur granulära material och geler destabiliseras under gravitationen, med implikationer för både fluidiseringsfenomen i naturen och designen av transportsystem för granulära material i industriell skala. + Utforska vidare

"Magisk sand" kan hjälpa oss att förstå fysiken hos granulär materia