Fysikere opdager mekanisme bag granulær kapillær effekt

At dyppe et rør i en beholder fyldt med vand får vandet til at stige i røret. Dette fænomen kaldes flydende kapillaritet. Det er ansvarligt for mange naturlige og tekniske processer, for eksempel vandoptagelse af træer, blæk stiger i en fyldepen, og svampe, der absorberer opvaskemiddel. Men hvad sker der, hvis røret dyppes i en beholder, der ikke er fyldt med vand, men med sand? Svaret er - ingenting. Imidlertid, hvis røret rystes op og ned, sandet vil også begynde at stige. Forskere har nu opdaget mekanismen bag denne effekt, den såkaldte granulære kapillærvirkning.

Dr. Eric J. R. Parteli fra University of Cologne Department of Geosciences, Professor Fengxian Fan fra University of Shanghai for Science and Technology, og professor Thorsten Pöschel fra Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg har nu offentliggjort resultaterne af deres undersøgelse 'Origin of Granular Capillarity Revealed by Particle-Based Simulations' i Fysisk gennemgangsbreve .

Flydende kapillaritet skyldes samspillet mellem forskellige molekylære kræfter:tiltrækningen mellem de flydende molekyler holder den sammen, mens tiltrækningen mellem molekyler og rør driver væsken opad. Denne forklaring udelukker forekomsten af ​​kapillaritet for sand, fordi sandkorn er så meget større end deres bestanddelmolekyler, at intermolekylære kræfter sikkert kan negligeres i forhold til tyngdekraft og korninerti. Imidlertid, overraskende, granulær kapillaritet er blevet observeret i laboratorieforsøg, hvor det granulære materiale blev udsat for en lille vertikal vibration med et par korndiametre i amplitude og en frekvens på kun få Hertz. Oprindelsen til denne granulære kapillærvirkning var et mangeårigt mysterium, det er lykkedes det internationale forskerteam at afsløre.

De undersøgte problemet ved hjælp af en partikelbaseret numerisk simuleringsmetode kaldet Discrete Element Method. I denne metode, banen for hvert enkelt korn beregnes ved numerisk at løse Newtons ligninger for translationel og rotationsbevægelse på grund af de kræfter, der virker på hvert korn. Ved hjælp af et sådant numerisk eksperiment, det er således muligt at spore bane og hastighed for alle korn, herunder de korn, der er dybt inde i den granulære masse som er svære at vurdere i laboratoriet.

Forskergruppen observerede i deres simuleringer, at det, der får sandkolonnen til at stige i røret, er en konvektiv bevægelse af sandkornene i modtageren, der er iboende for granulære materialer under lodrette vibrationer. Denne konvektive flux forårsager lateral massetransport inden i den vibrerende granulære pakning, hvilket fører til et opadgående tryk på bunden af ​​den granulære søjle i røret, derfor stiger kolonnen. Forskerne fandt ud af, at hvor hurtigt og langt kolonnen stiger afhænger af rørstørrelsen. Bemærkelsesværdigt, simuleringerne viste, at højden af ​​den granulære menisk (kapillærhøjden, som den granulære søjle når efter lang tid) er proportional med inversen af ​​rørstørrelsen. Dette er nøjagtig den samme adfærd som for flydende kapillaritet, selvom drivkræfterne i de to systemer er så meget forskellige.

Fysikerne viste i deres undersøgelse, at den samme kapillærvirkning kan frembringes ved at ryste røret i stedet for beholderen, hvilket åbner lovende applikationer i håndterings- og transportsektoren. For eksempel, partikler kunne pumpes op fra meget store beholdere bare ved hjælp af granulær kapillaritet. De studerer nu processen mere dybtgående for at forstå effekten af ​​system- og partikelgeometri.