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Jun 05, 2023

Cosa hanno in comune la gelatina e la sabbia?

Meccanismo comune di destabilizzazione trovato per grani e gel sotto gravità Immagine della Tokyo Metropolitan University: quando i letti di sabbia (a) e i gel (b) sono destabilizzati, simili instabilità “diteggiate” sono

Meccanismo di destabilizzazione comune trovato per grani e gel sotto gravità

Università Metropolitana di Tokio

immagine: Quando i letti di sabbia (a) e i gel (b) sono destabilizzati, si osserva la formazione di instabilità simili “diteggiatura” nel tempo (da sinistra a destra).vedere di più

Credito: Università metropolitana di Tokyo

Tokyo, Giappone – I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno identificato somiglianze chiave tra il comportamento dei materiali granulari e quello dei gel che si sciolgono. Hanno scoperto che i letti di sabbia in caduta condividono lo stesso meccanismo di destabilizzazione della gelatina che si scioglie quando viene riscaldata dal basso, in particolare il modo in cui i parametri chiave si adattano allo spessore della regione fluidizzata. Le loro scoperte forniscono importanti progressi nella nostra comprensione della destabilizzazione sotto gravità, come si vede nelle valanghe, nelle frane e nei processi di trasporto industriale.

Sabbia e gelatina potrebbero non assomigliarsi molto. Ma le cose cambiano quando ci concentriamo sulle loro proprietà fisiche. La sabbia è composta da miliardi di granelli di materiale solido, che possono fuoriuscire come un liquido e intasare i tubi come un solido. I materiali gelificanti come le soluzioni di gelatina si versano come un liquido ad alta temperatura, ma assumono improvvisamente proprietà solide una volta raffreddati. Osservando i dettagli microscopici, vediamo che la solidità dei gel è sostenuta da reti di polimeri o proteine ​​che attraversano il materiale; questo è simile a come le “catene di forza”, reti di granelli che si spingono gli uni sugli altri, danno origine all’apparente solidità della sabbia. Questa affascinante unione di comportamenti solidi e liquidi costituisce la spina dorsale di molti fenomeni naturali come valanghe e frane, ma è ancora poco conosciuta.

Queste somiglianze hanno ispirato il dottor Kazuya Kobayashi e il professor Rei Kurita della Tokyo Metropolitan University a confrontare direttamente i gel fisici e i letti di sabbia mentre si fluidificano. Hanno osservato la fluidificazione di letti sottili di soluzioni di sabbia e gelatina utilizzando telecamere ad alta velocità. Per la sabbia, letti preformati di granelli nell'aria o nell'acqua sono stati invertiti e osservati mentre la base inizia a cadere. Per la gelatina sono stati preparati due strati con diverse concentrazioni di gelatina, uno sopra l'altro. Le concentrazioni sono state scelte in modo che lo strato inferiore si fluidificasse completamente per primo. Poiché il materiale viene riscaldato dal basso, lo strato superiore si destabilizzerebbe e inizierebbe a cadere.

In entrambi i sistemi, il team ha riscontrato instabilità delle dita, in cui sottili dita di materiale cadono nel materiale (o nell'aria/acqua) sottostante, in modo simile alle gocce di pioggia che cadono da una finestra. Nel corso del tempo, nuove dita apparirebbero tra quelle esistenti e l’interfaccia tra le parti liquide e quelle solide si ritirerebbe. Utilizzando una speciale tecnica di imaging, il team è stato anche in grado di identificare una regione di interfaccia “fluidificata” sopra il punto in cui iniziano effettivamente le dita. Si è scoperto che lo spessore di questa regione è fortemente correlato a parametri chiave come la velocità con cui la parte anteriore si allontana e la distanza tra le dita. Questo tipo di relazione è chiamata relazione di “scala” ed è importante in fisica per collegare fenomeni che inizialmente potrebbero sembrare diversi ma che potrebbero essere correlati a un livello più profondo attraverso i loro meccanismi. In questo caso, questa è una prova evidente di come le somiglianze tra i materiali, ovvero la connettività di una rete portante, siano alla base del loro comportamento fisico macroscopico.

Attraverso i loro estesi esperimenti, il lavoro del team offre preziose informazioni su come i materiali granulari e i gel si destabilizzano sotto gravità, con implicazioni sia per i fenomeni di fluidificazione in natura che per la progettazione di sistemi di trasporto per materiali granulari su scala industriale.

Questo lavoro è stato sostenuto da JSPS KAKENHI Grants-in-Aid for JSPS Research Fellows (numero di sovvenzione 17J03066), Young Scientists (numeri di sovvenzione 19K23428 e 20K14379) e Scientific Research (B) (numeri di sovvenzione JP17H02945 e 20H01874).

Rapporti scientifici

10.1038/s41598-022-10045-x