Наука

Исследователи Чикагского университета недавно продемонстрировали, что у сухих гранулированных материалов, таких как песок, семена и зерна, есть свойства, которые ранее приписывали только жидкостям. Подобно воде, капли могут формироваться, когда сухой материал высыпается (выливается) из какой-либо емкости. Это открытие может принести пользу целому ряду отраслей промышленности, которые используют "делают текучими" сухие частицы для очистки нефти, производства пластмасс и фармацевтической продукции.

Раньше ученые полагали, что для того чтобы сформировать капли как у обычных жидкостей, сухим частицам не хватает силы  поверхностного натяжения. В новом эксперименте, физики Центра исследования материалов при Чикагском университете (Materials Research Science and Engineering Center at the University of Chicago) во главе с Профессором Heinrich M. Jaeger, использовали быстродействующую фотосъемку, чтобы измерить низкие уровни поверхностного натяжения и обнаружить формирование капель в потоках сухих гранулированных материалов.

Результаты данного исследования опубликованы в журнале Nature. Исследования было проведено при поддержке Национального научного фонда, NSF (National Science Foundation).

До недавнего времени в исследованиях так называемых "свободных падающих гранулированных потоков", ученые могли наблюдать изменения формы потоков сухих материалов, но были неспособны увидеть полное развитие формирующихся капелек или механизмов их кластеризации. Предыдущие исследования гранулированных потоков, были в состоянии обнаружить кластеризацию, а эксперименты в вакууме установили, что кластеризация не была вызвана сопротивлением окружающего воздуха. Однако причина кластеризации оставалась неизвестной.

В этом новом эксперименте, исследователи измерили силы, которые вызывают формирование капельки, используя специально разработанный для этой цели аппарат. Он представляет собой быстродействующую, стоимостью в  $80,000 камеру, которая может передвигаться синхронно с падающим сыпучим материалом. Этот способ похож на съемку парашютистами друг друга во время затяжного прыжка.

Ученые наблюдали падающий стеклярус диаметром в 100 микрометров (одна десятая миллиметра), а так же песок, и выяснили, что силы  в 100 000 раз меньше чем те, которые задействованы в поверхностном натяжении обычных жидкостей, могли вызвать формирование капель в гранулированных потоках и заставить эти сухие потоки вести себя как "жидкость с крайне низким поверхностным натяжением".

Аспирант  физики John Royer, который разрабатывал аппарат, и его коллеги так же измерили  силу взаимодействия между зернами с помощью атомно-силового микроскопа.

"Сначала мы думали, что силы взаимодействия между зернами будут слишком слабы, чтобы влиять на гранулированный поток",- сказал Royer. "Исследования с помощью атомно-силового микроскопа удивили нас и продемонстрировали, что малые изменения в этих взаимодействиях могли оказывать большое влияние на разрыв потока, окончательно показывая, что эти взаимодействия фактически управляли формированием капли".

Как говорят исследователи, понимание того как сухие материалы объединяются и взаимодействуют, может принести много пользы при их перемещениях, транспортировке и т.п. Фармацевтическая промышленность при производстве пилюль, например, могла бы извлечь выгоду при засыпке равного количества препарата в капсулу.

"Оценки показывают, что мы тратим впустую до 60 процентов мощностей многих из наших индустриальных предприятий из-за проблем, связанных с транспортировкой сыпучих материалов",- сказал Jaeger. "Следовательно, даже незначительное улучшение нашего понимания о том, как гранулированные материалы себя ведут, должно оказать глубокое влияние на промышленность".

Эксперименты ставят вопросы, для которых в настоящее время нет определенных ответов. Это вопросы о том, как разделяются жидкости. Как разделение происходит при таком низком пределе поверхностного натяжения. Что будет происходить при сильном снижении температуры, когда частицы прекращают перемещаться друг относительно друга.

В своем сообщении ученые пишут, что результаты данных экспериментов открывают новую область, для которой в настоящее время еще нет теоретических  наработок.

По материалам: www.nsf.gov

Текст и перевод: sergiy-school.ru