Новости

Jun 05, 2023

Что общего между желе и песком?

Обнаружен общий механизм дестабилизации зерен и гелей под действием силы тяжести Изображение Токийского столичного университета: Когда песчаные пласты (а) и гели (б) дестабилизируются, возникают аналогичные «пальцевые» нестабильности.

Обнаружен общий механизм дестабилизации зерен и гелей под действием силы тяжести

Токийский столичный университет

Изображение: Когда песчаные пласты (а) и гели (б) дестабилизируются, со временем наблюдаются аналогичные «пальцевые» нестабильности (слева направо).посмотреть больше

Фото: Токийский столичный университет.

Токио, Япония – Исследователи из Токийского столичного университета выявили ключевые сходства между поведением гранулированных материалов и плавящимися гелями. Они обнаружили, что падающие пласты песка имеют тот же механизм дестабилизации, что и плавящийся желатин, поскольку он нагревается снизу, особенно то, как ключевые параметры масштабируются с толщиной псевдоожиженной области. Их результаты обеспечивают важный вклад в наше понимание дестабилизации под действием гравитации, которую можно увидеть в лавинах, оползнях и процессах промышленного транспорта.

Песок и желе могут быть не очень похожи. Но все меняется, когда мы фокусируемся на их физических свойствах. Песок состоит из миллиардов зерен твердого материала, который может течь, как жидкость, и засорять трубы, как твердое вещество. Желирующие материалы, такие как растворы желатина, при высокой температуре текут как жидкость, но при охлаждении внезапно приобретают твердые свойства. Глядя на микроскопические детали, мы видим, что прочность гелей поддерживается сетками полимеров или белков, которые пересекают материал; это похоже на то, как «силовые цепи», сети зерен, давящих друг на друга, создают кажущуюся твердость песка. Это удивительное сочетание поведения твердого и жидкого формирует основу многих природных явлений, таких как лавины и оползни, но до сих пор плохо изучено.

Эти сходства вдохновили доктора Казую Кобаяши и профессора Рей Куриту из Токийского столичного университета напрямую сравнить физические гели и пласты песка в процессе их псевдоожижения. Они наблюдали псевдоожижение тонких слоев растворов песка и желатина с помощью высокоскоростных камер. Для песка предварительно сформированные слои зерен в воздухе или воде были перевернуты и наблюдались по мере того, как основание начинало выпадать. Для желатина готовили два слоя с разной концентрацией желатина, один поверх другого. Концентрации были выбраны таким образом, чтобы нижний слой полностью разжижался первым. Поскольку материал нагревается снизу, верхний слой дестабилизируется и начинает падать.

В обеих системах команда обнаружила нестабильность пальцев, когда тонкие пальцы материала падают в материал (или воздух/воду) внизу, напоминая капли дождя, падающие в окно. Со временем между существующими пальцами появятся новые, а граница между жидкими и твердыми частями будет отступать. Используя специальную технику визуализации, команда также смогла идентифицировать «ожиженную» область интерфейса выше того места, где фактически начинаются пальцы. Было обнаружено, что толщина этой области сильно коррелирует с ключевыми параметрами, такими как скорость отступления фронта и расстояние между пальцами. Этот вид отношений называется «масштабирующим» соотношением и важен в физике для соединения явлений, которые изначально могут показаться разными, но могут быть связаны на более глубоком уровне через свои механизмы. В данном случае это убедительное свидетельство того, как сходство между материалами, т.е. связность несущей сети, лежит в основе их макроскопического физического поведения.

Благодаря своим обширным экспериментам работа команды дает ценную информацию о том, как гранулированные материалы и гели дестабилизируются под действием силы тяжести, что имеет значение как для явлений псевдоожижения в природе, так и для проектирования систем транспортировки гранулированных материалов в промышленных масштабах.

Эта работа была поддержана грантами JSPS KAKENHI для научных сотрудников JSPS (номер гранта 17J03066), молодых ученых (номера грантов 19K23428 и 20K14379) и научных исследований (B) (номера грантов JP17H02945 и 20H01874).

Научные отчеты

10.1038/s41598-022-10045-х