Sudoku røntgen afslører bevægelser inden for uigennemsigtige materialer

Når du spadserer langs stranden, vores fodspor fortæller os, at sandet under overfladen må have bevæget sig, men ikke præcist hvor eller hvordan. Lignende bevægelser forekommer i mange andre naturlige og menneskeskabte stoffer, såsom sne, byggematerialer, farmaceutiske pulvere, og endda korn.

For at undersøge disse stort set ukendte granulære bevægelser, akademikere fra Sydney Center i geomekanik og minematerialer (SciGEM), herunder professor i civilingeniør, Itai Einav og Postdoc Research Associate, Dr. James Baker har udviklet en ny røntgenmetode, som gør det muligt for forskere at se inde i granulære strømme. Navngivet røntgenreografi, eller "skrivestrøm", deres tilgang indsamler oplysninger ved hjælp af 3-punkts højhastighedsradiografi, og samler derefter disse oplysninger ved at løse et puslespil i Sudoku-stil.

"Forestil dig kaffe i kværne, ris i siloer, og mineraler på transportbånd - i lang tid har vi vidst, at kornene, der er gemt i massen, bevæger sig, men indtil nu har vi ikke forstået præcis hvordan. Vores røntgenreografi er den første fysiske metode til at løse dette, "forklarede professor Einav.

Dette gennembrud er det seneste fra teamets "DynamiX" laboratorium, en unik, specialbygget facilitet, der blev etableret i 2015 for at undersøge flydende granulære medier. Laboratoriet består af et stort blyforet røntgenrum, med tre bevægelige kilde-detektor par, der tillader afhøring af mange forskellige eksperimenter, og et eksternt kontrolrum.

Den nye røntgenreografi-teknik har evnen til at danne et tredimensionelt billede af korn i bevægelse, hvilket har hjulpet forskerne bedre med at forstå, hvordan partikler flyder og opfører sig under forskellige omstændigheder. I mange eksempler har de fundet ud af, at granulære medier har en tendens til at flyde i unikke mønstre og bølger.

"I modsætning til væsker, vi opdagede, at begrænset, tredimensionelle, faste granulære strømme opstår gennem cyklusser af kontraktion og ekspansion, à la 'granulære lunger'. Igen, i modsætning til væsker, vi fandt også ud af, at korn har en tendens til at rejse langs parallelle linjer, selv nær buede grænser.

Eksperimenter med forskellige granulære materialer, teamet fandt også ud af, at form er en vigtig faktor ved bestemmelse af flow, for eksempel bevæger aflange bygkorn sig hurtigere end deres sfæriske modstykker. I andre situationer, forskellige korntyper kan have en tendens til at gruppere sig, eller "adskilt", meget gerne ved tømning af en kornkasse.

Forskernes fund kan anvendes på en række brancher, såsom at hjælpe med at udvikle bedre siloløsninger til spiselige korn, forebyggelse af spild og ødelæggelse i både landbrug og stor fødevareproduktion, samt mere effektiv transport og opbevaring af mineressourcer.

"Indtil nu, forståelse af granulære bevægelser i uigennemsigtige materialer har længe været en udfordring for mange industrier som teknik, videnskab, minedrift og endda landbrug, "forklarede Dr. James Baker.

"De potentielle fordele spænder over mange områder, hvad enten det drejer sig om at forstå blandingen af ​​farmaceutiske pulvere eller effektiv transport af madkorn eller byggematerialer. "

Professor Einav håber, at hans teams kreative tilgang til at bruge et spil logik til at besvare et længe misforstået videnskabeligt problem kan hjælpe med at nytænke andre forskningsmetoder, "Vi har med succes anvendt en ny tilgang til et igangværende problem - så vi må spørge, hvordan andre spil kan hjælpe os med at få flere gennembrud?"

Papiret, Røntgenreografi afdækker plane granulære strømme på trods af ikke-plane vægge blev co-skrevet af professor Itai Einav, Dr. James Baker, Dr. François Guillard og Dr. Benjy Marks og blev udgivet i Naturkommunikation den 30. november.