Omformning af vores forståelse af granulære systemer
Rochester-forskere afslører den uventede rolle, som kornformen spiller i blandingen af granulære systemer såsom lægemidler, korn og jordskred.
Dine morgenkorn, en krukke med nødder, sandet fra fjerne planeter og endda betonen i din by er alle eksempler på granulære systemer, der omgiver os. Og sådanne systemer rummer hemmeligheder, der kan ændre den måde, vi blander tingene sammen på.
I et nyt papir offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , videnskabsmænd ved University of Rochester, herunder Rachel Glade, en assisterende professor i jord- og miljøvidenskab og i maskinteknik; Fernando David Cúñez, en tidligere postdoktoral forskningsassistent i Glades laboratorium og nu en postdoc forskningsassistent ved Rochester Institute of Technology; og Div Patel, studerede granulære materialer og afslørede den uventede rolle, som kornformen spiller i opførselen af granulære systemer.
"Kornet materiale har en ejendommelig adfærd," siger Cúñez, "men vi ved ikke meget om præcis, hvordan de opfører sig, fordi deres adfærd afhænger af så mange forskellige omstændigheder."
Prasilnøddeeffekten
Granulære materialer såsom korn, lægemidler, sand og beton organiseres almindeligvis på en sådan måde, at korn adskiller sig efter størrelse i stedet for ensartet blanding. I en krukke med nødder findes f.eks. de største nødder i toppen, et fænomen kendt som "paranødeffekten."
Paranøddeeffekten kan være til gene for mange industrier, herunder fødevarer og medicin, fordi den forhindrer ensartet blanding. Det har også indflydelse i naturen, hvor kornadskillelse kan ændre dynamikken i geofarer som jordskred, erosion og affaldsstrømme.
Selvom fænomenet er velkendt, er det ikke fuldt ud forstået. Forskere har også traditionelt fokuseret på størrelsen af korn, hvor de fleste tidligere undersøgelser antager, at korn er sfæriske - en ensartethed, der sjældent afspejler virkeligheden.
Dynamik, der skifter form
Glade og hendes team brugte avancerede computersimuleringer, der sammenlignede blandinger af kugler med blandinger af kugler og terninger i en roterende tromle og i en flodlignende opsætning til at undersøge, hvordan kornformen påvirker segregation i henholdsvis tørre og våde forhold. Deres forskning afslørede, at selv små forskelle i kornform kan ændre dynamikken i kornadskillelse markant.
Specifikt fandt forskerne følgende mønstre i tørsystemblandingerne:
- I en blanding af kugler af forskellig størrelse:adskillelsen øges, hvor flere af de større kugler stiger til toppen, når forholdet mellem kugler med stort volumen og kugler med lille volumen er større.
- I en blanding af kugler af samme størrelse plus større terninger:adskillelsen har en tendens til at være den samme som i tilfældet med kun kugler, hvor de større kugler stiger til toppen.
- I en blanding af kugler af samme størrelse plus mindre terninger:adskillelsen har en tendens til at falde, idet de fleste af de større kugler stiger til toppen, men i mindre grad end i blandingen med kun kugler.
Interessant nok skifter tendensen i et flydende system til det modsatte:I en blanding af kugler af samme størrelse plus mindre terninger flyttes de mindre terninger til toppen.
"En måde at tænke på det er, at kornformen ændrer segregation både kvantitativt - i den tørre tromle reducerer terninger mængden af segregation - og kvalitativt - i det våde flod tilfælde ændrer terninger mønstrene for segregation," siger Glade.
Omformning af industri og natur
Fremtidig forskning vil undersøge, hvorfor disse ændringer i segregation forekommer. Forskerne antager, at det sandsynligvis skyldes flere faktorer, herunder kræfter, der udøves på de forskellige partikler, som får dem til at hænge sammen og modstå bevægelse på forskellige måder.
Uanset hvad viser undersøgelsen, hvor vigtig kornformen er på tværs af forskellige domæner.
Glade fremhæver de bredere implikationer, siger Glade, "vores arbejde viser vigtigheden af tværfaglig forskning, der trækker inspiration fra fysik, ingeniørvidenskab og geovidenskab. Dette samarbejde baner vejen for fremtidigt arbejde for bedre at forstå og forudsige geofarer, afhjælpe segregationsproblemer i industrielle strømme. , og forbedre vores forståelse af granulære materialer på Jorden og andre planeter."
Flere oplysninger: Fernando David Cúñez et al., Hvordan partikelform påvirker granulær segregation i industrielle og geofysiske strømme, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2307061121
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences
Leveret af University of Rochester
Varme artikler
-
Overlejring af to gitter af lignende perioder for at kontrollere og lokalisere lysTo endelige gitter med lidt forskellige periodiciteter blev slået sammen for at skabe en enkelt primitiv enhedscelle af et nyt supergitter kaldet Merged Lattice. Kredit:Alagappan &C. E. Png Lysere -
En potentiel model for et rigtigt fysisk kædeledKredit:Gianni Martire (Applied Physics) Et par forskere ved Applied Physics har skabt det, de beskriver som den første generelle model for et warp -drev, en model for et rumfartøj, der kunne rejse -
Et twist, der forbinder magnetisme og elektronisk båndstopologiAntiferromagnetisk (øverst) og kantet-antiferromagnetisk rækkefølge (nederst). I sidstnævnte tilfælde er spinnene kantet i forhold til den lette c-akse, hvilket fører til et ferromagnetisk bidrag i pl -
Fysiske egenskaber af faste stoffer belyst ved at zoome ind og ud af høj opløsningOpsætning af en adaptiv opløsningssimulering for faste stoffer. Kredit:Springer Computersimuleringer bruges til at forstå egenskaberne af blødt stof - såsom væsker, polymerer og biomolekyler som D