Opdager en ny grundlæggende undervandsstyrke

Et team af matematikere fra University of North Carolina ved Chapel Hill og Brown University har opdaget et nyt fænomen, der genererer en fluidisk kraft, der er i stand til at bevæge og binde partikler nedsænket i væsker med tæthed. Gennembruddet giver et alternativ til tidligere afholdte antagelser om, hvordan partikler akkumuleres i søer og oceaner og kan føre til applikationer til at lokalisere biologiske hotspots, rydde op i miljøet og endda i sortering og pakning.

Hvordan stof sætter sig og aggregerer under tyngdekraft i væskesystemer, såsom søer og oceaner, er et bredt og vigtigt videnskabeligt studieområde, en, der i høj grad påvirker menneskeheden og planeten. Overvej "marinesne, "brusebadet af organisk materiale, der konstant falder fra det øvre vand til det dybe hav. Ikke kun er næringsrig marin sne afgørende for den globale fødekæde, men dens ophobninger i det brine dybe repræsenterer Jordens største carbon sink og en af ​​de mindst forståede komponenter i planetens carboncyklus. Der er også den stigende bekymring over mikroplast, der hvirvler i havgyrer.

Havpartikelakkumulering har længe været forstået som et resultat af tilfældige kollisioner og vedhæftning. Men et helt andet og uventet fænomen er i gang i vandsøjlen, ifølge et papir udgivet 20. december i Naturkommunikation af et team ledet af professorer Richard McLaughlin og Roberto Camassa fra Carolina Center for Tværfaglig Anvendt Matematik i College of Arts &Sciences, sammen med deres UNC-Chapel Hill-kandidatstuderende Robert Hunt og Dan Harris fra School of Engineering ved Brown University.

I avisen, forskerne demonstrerer, at partikler suspenderes i væsker med forskellige densiteter, såsom havvand i forskellige lag af saltindhold, udviser to tidligere uopdagede adfærd. Først, partiklerne samler sig selv uden elektrostatisk eller magnetisk tiltrækning eller, for mikroorganismer, uden fremdrivningsanordninger såsom slagende flagella eller cilia. Sekund, de klumper sig sammen uden behov for klæbemiddel eller andre bindingskræfter. Jo større klynge, jo stærkere er attraktionskraften.

Ligesom så mange opdagelser, denne begyndte ved et uheld, for et par år siden, under en demonstration for VIP'er, der besøger Joint Applied Mathematics and Marine Sciences Fluids Lab, som Camassa og McLaughlin driver. Parret, længe fascineret af lagdelte væsker, beregnet til at vise et yndlingsstue -trick - hvordan kugler, der dumpes i en tank saltvand, vil "hoppe" på vej mod bunden, så længe væsken er ensartet lagdelt af densitet. Men den kandidatstuderende, der var ansvarlig for eksperimentet, begik en fejl i opsætningen af ​​densiteten af ​​den lavere væske. Kuglerne hoppede og hang derefter der, nedsænket, men ikke synker til bunds.

"Og så tog jeg en god beslutning, "sagde McLaughlin, "for ikke at rydde op i rodet." Gå hjem, fortalte han kandidaten. Godt, behandle det senere. Næste morgen, boldene var stadig suspenderet, men de var begyndt at samle sig-for at samle sig uden nogen åbenbar grund.

Forskerne opdagede til sidst årsagen, selvom det tog mere end to års benchmark eksperimentelle undersøgelser og masser af matematik.

Du kan se fænomenet på arbejde i en video, forskerne producerede. Mikroperler af plast, der falder ned i en beholder med saltvand toppet med mindre tæt ferskvand, trækkes ned af tyngdekraften og skubbes opad ved opdrift. Da de hænger suspenderet, samspillet mellem opdrift og diffusion - der virker for at afbalancere saltets koncentrationsgradient - skaber strømme rundt om mikroperlerne, får dem til langsomt at bevæge sig. I stedet for at bevæge sig tilfældigt, imidlertid, de klumper sig sammen, løse deres egne puslespil-lignende gåder. Når klyngerne vokser, væskekraften stiger.

"Det er næsten som om vi opdagede en effektiv ny kraft, "Sagde Camassa.

Opdagelsen af ​​denne tidligere ukendte førsteprincippemekanisme åbner dørene til forståelse for, hvordan stof organiserer sig i miljøet. I stærkt lagdelte vandområder, såsom flodmundinger og det dybe hav, at kunne matematisk forstå fænomenet kan give forskere mulighed for at modellere og forudsige placeringen af ​​biologiske hotspots, herunder fodringsområder for kommercielle fisk eller truede arter. Udnyttelse af fænomenets kraft kan også føre til bedre måder at lokalisere havmikroplastik eller endda petroleum fra olieudslip fra dybe hav. Eller, i en industriel version af Fluids Lab-eksperimentet, mekanismen kan bruges til at sortere materialer med forskellige tætheder, for eksempel forskellige farver af knust genanvendeligt glas.

"Vi har arbejdet i årevis med lagdelte systemer, ser typisk på, hvordan ting falder igennem dem, "McLaughlin sagde." Dette er en af ​​de mest spændende ting, jeg har stødt på i min karriere. "