Ved blanding af granulat, orden blandt uorden

Det er let at blande væsker, eller i det mindste videnskabeligt forstået:en dråbe madfarve vil i sidste ende blande sig i en kop vand gennem diffusion, og en klat fløde kan blandes i kaffe med en ske gennem det, der kaldes turbulent blanding.

Men hvad nu hvis materialet har egenskaberne af både væsker og faste stoffer, hvilket er tilfældet for materialer som beton, maling, og sand? Kaldes flydespændingsmaterialer, disse blandinger kan både flyde som væsker og forblive stille som faste stoffer.

Forståelse for, hvordan disse materialeblandinger har konsekvenser i brancher som f.eks. Lægemidler og betonfremstilling, men der vides stadig lidt om, hvordan man bedst blander dem.

I et nyt papir i Naturkommunikation , Nordvestlige ingeniørprofessorer finder ud af, at blanding af udbyttespændingsmaterialer skaber både blandede og ikke-blandede områder, giver en grundlæggende begyndelse til at forstå, hvordan man bedst designer blandingsprotokoller. Julio M. Ottino, Paul Umbanhowar, og Richard Lueptow fungerede som papirets medforfattere.

"De teoretiske grundlag for strømning af granulat er stadig meget ufuldstændige, sagde Ottino, Walter P. Murphy Professor i kemisk og biologisk teknik. "Vi fandt bemærkelsesværdig vedvarende orden midt i kaos."

Der var tale om, hvor godt granulært materiale kunne blandes i et grundlæggende system:en sfærisk tumbler. Ville materialet blande sig som et fast stof, gennem en "klip-og-blanding" -metode, der ligner et kortspil? Eller ville den blande sig som en tyktflydende væske, som honning, gennem et "stræk-og-fold" mønster?

For at teste denne idé, forskerne fyldte halvdelen en kugleformet glas med 2 millimeter store glasperler. Når den roteres, det øverste lag af perler flød som en væske ned til bunden af ​​kuglen, mens de andre perler forblev på plads, som et fast stof.

Men forskere blandede perlerne ved at rotere tumbleren langs forskellige akser. For at spore hvor godt perlerne blandede sig, de anbragte en 4 mm sporstofpartikel indeni og løb derefter rotationerne igen og igen, nogle gange op til 500 gange, og tog røntgenbilleder af kuglen for at se, hvor sporingspartiklen endte.

På trods af at have prøvet flere forskellige rotationsprotokoller, forskerne fandt ud af, at der uundgåeligt var regioner, der blandede sig og regioner, der ikke blandede sig. Dette var resultatet af samspillet mellem de to blandemetoder, klippe-og-blande og strække-og-folde.

"Selvom materialet ofte bevæger sig i kiler på denne skærende og blandede måde, alt de kiler gør er at flytte rundt sammen, "sagde Umbanhowar, forskningsprofessor i maskinteknik. "Der er regioner, der aldrig blandes."

At forstå dette koncept kan føre til indsigt på interessante og uventede steder, såsom det spanske julelotteri, hvor 100, 000 små træbolde med unikke billetnumre tumles i en kugle, mens 1, 807 bolde mærket med præmier vælter i en anden. Under tegningen, en præmiekugle og et tilsvarende billetnummer plukkes fra hver kugle, indtil præmiekuglesfæren er tom. Men hvis tumbleren indeholder regioner, der er blandede og regioner, der ikke er, boldens første placering i tumbleren bliver en overdimensioneret faktor i, om den vil blive valgt.

"Der er en forventning om tilfældighed, men vores resultater viser, at dette ikke er tilfældet, "Sagde Ottino.

Forskerne håber at kunne gennemføre fremtidige undersøgelser for at vise, hvordan disse oplysninger kan anvendes på tværs af forskellige materialer.

"Dette giver os et helt nyt værktøj til at forstå, hvad der blander, og hvad der ikke blander sig, "Umbanhowar sagde." Disse resultater kan i sidste ende bruges som et designværktøj. "