Magisk sand kan hjælpe os med at forstå fysikken i granuleret stof

Sand er et fascinerende materiale. Det kan flyde og hældes som en væske, men bevarer mange af faste stoffers egenskaber, tilstopning af rør eller dannelse af klitter. Opførselen af ​​samlinger af små partikler som sand er kendt som granulær fysik, og er et uhyre vigtigt område for håndtering og transport af den brede vifte af granulære materialer derude som korn, ris, pulvere og de enorme mængder sand, der bruges i byggebranchen.

En central gåde i denne gren af ​​fysik er de rene tal involveret. Korn interagerer via enkle, Newtonsk mekanik, men fordi så mange partikler interagerer på én gang, der er en opstået kompleksitet af flowadfærd, som endnu ikke kan forklares med simple ligninger. Forskere leder således ikke kun efter bedre teoretiske modeller til at forklare granulær adfærd, men praktiske "modelsystemer", der kan håndteres og tunes i laboratoriet for at give indsigt i, hvordan granulære materialers mikroskopiske struktur giver anledning til deres makroskopiske egenskaber.

Et hold ledet af adjunkt Marie Tani og professor Rei Kurita fra Tokyo Metropolitan University har studeret egenskaberne af blandinger af silikonebelagt "magisk sand, "et populært børnelegetøj, og normalt sand. Silikonebelagte sandpartikler viste sig kun at interagere med hinanden og ikke med andre sandpartikler. Holdet opdagede, at tilføjelse af silikonebelagt sand ud over en vis tærskel fører til en brat ændring i klyngedannelse og stivhed, en potentiel måde at tune strømmen af ​​granulære materialer til industrien.

Forskerne har undersøgt, hvad der sker med sand, når det bliver vådt. Det er velkendt, at strandsand, for eksempel, opfører sig helt anderledes; sandslotte er vanskelige at bygge, når sandet er tørt. Denne adfærd skyldes i høj grad dannelsen af ​​"broer" af væske mellem partikler, kendt som kapillærbroer, kraftigt at binde korn sammen for at danne bærende strukturer. Imidlertid, homogent vådt sand er notorisk svært at forberede i laboratoriet; det er svært at blande jævnt og tørrer meget hurtigt.

For at overvinde dette problem, forskerne brugte "magisk sand, "hydrofobe sandpartikler belagt med silikoneolie, almindeligvis tilgængelig i børnelegetøj. Holdet fandt ud af, at "magisk sand"-korn ikke kun tiltrækker hinanden stærkt via tynde oliestrå, men det interagerer ikke med normalt sand, bare støder ind i det som tørre korn. Ved at blande "magisk sand" og normalt sand i forskellige forhold, holdet kunne frit studere, hvordan vådt sand opfører sig ned til selv de mindste flydende fraktioner, hvor kun nogle korn er forbundet via kapillære broer.

Ved at bruge tre uafhængige metoder, der involverer sigtning, måling af tæthed og dannelse af stabile sanddynger, de fandt ud af, at blandingens mekaniske egenskaber ændrer sig drastisk, når andelen af ​​magisk sand til normalt sand overstiger 20%. Dette stemte overens med resultaterne fra perkolationsteorien, som styrer, hvordan forbindelser mellem partikler spænder over rummet uden brud, lade sandblandingen opføre sig væsentligt mere fast-agtigt og bære sin egen vægt. Denne adfærd er kendt for polymergeler, og hjælper med at forene teoretiske tilgange anvendt på helt forskellige materialer.

Holdets blandinger udviser også mekaniske egenskaber, der let kan modificeres. Vigtigere, metoden giver en ny, praktisk, præcis og informativ måde at udforske granulær fysik på, og kan blive den nye standard for videnskabsmænd i fremtidige undersøgelser.