Rochester-forskare avslöjar den oväntade rollen av kornform i blandningen av granulära system som läkemedel, spannmål och jordskred.
Dina morgonflingor, en burk med nötter, sanden på avlägsna planeter och till och med betongen i din stad är alla exempel på granulära system som omger oss. Och sådana system hyser hemligheter som kan förändra hur vi blandar ihop saker.
I en ny artikel publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskare vid University of Rochester, inklusive Rachel Glade, en biträdande professor i jord- och miljövetenskaper och maskinteknik; Fernando David Cúñez, tidigare postdoktoral forskarassistent i Glades labb och nu postdoktor vid Rochester Institute of Technology; och Div Patel, studerade granulära material och avslöjade den oväntade roll som kornformen spelar i beteendet hos granulära system.
"Granulära material har speciella beteenden," säger Cúñez, "men vi vet inte mycket om exakt hur de beter sig eftersom deras beteende beror på så många olika omständigheter."
Parsilnötseffekten
Granulära material som spannmål, läkemedel, sand och betong organiseras vanligtvis på ett sådant sätt att korn segregerar efter storlek snarare än att blandas enhetligt. Till exempel, i en burk med nötter finns de största nötterna vanligtvis på toppen, ett fenomen som kallas "Parsilnötseffekten."
Paranötseffekten kan vara till besvär för många industrier, inklusive livsmedel och medicin, eftersom den förhindrar jämn blandning. Det har också influenser i naturen, där spannmålssegregering kan förändra dynamiken hos georisker som jordskred, erosion och skräpflöden.
Även om fenomenet är välkänt är det inte helt förstått. Forskare har också traditionellt fokuserat på kornstorlek, med de flesta tidigare studier som antar att korn är sfäriska – en enhetlighet som sällan speglar verkligheten.
Glade och hennes team använde avancerade datorsimuleringar som jämförde blandningar av sfärer med blandningar av sfärer och kuber i en roterande trumma och i en flodliknande uppställning för att undersöka hur kornformen påverkar segregationen i både torra respektive våta förhållanden. Deras forskning avslöjade att även små skillnader i kornform avsevärt kan förändra dynamiken i kornsegregeringen.
Specifikt fann forskarna följande mönster i blandningarna av torra system:
Intressant nog, i ett flytande system, skiftar trenden till det motsatta:I en blandning av sfärer av samma storlek plus mindre kuber flyttas de mindre kuberna till toppen.
"Ett sätt att tänka på det är att kornformen förändrar segregationen både kvantitativt - i torrtrumman minskar kuber mängden segregation - och kvalitativt - i det våta flodfallet ändrar kuber segregationens mönster," säger Glade.
Framtida forskning kommer att undersöka varför dessa förändringar i segregationen inträffar. Forskarna antar att det sannolikt beror på flera faktorer, inklusive krafter som utövas på de olika partiklarna som får dem att hålla ihop och motstå rörelser på olika sätt.
Oavsett vilket visar studien hur viktig kornformen är över olika domäner.
Glade framhåller de bredare implikationerna, säger Glade, "vårt arbete visar vikten av tvärvetenskaplig forskning och hämtar inspiration från fysik, ingenjörsvetenskap och geovetenskap. Detta samarbete banar väg för framtida arbete för att bättre förstå och förutsäga georisker, lindra segregationsproblem i industriella flöden. , och förbättra vår förståelse av granulära material på jorden och andra planeter."
Mer information: Fernando David Cúñez et al, Hur partikelform påverkar granulär segregation i industriella och geofysiska flöden, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2307061121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Rochester
