Naukowcy zajmujący się inżynierią na Uniwersytecie Lehigh odkryli, że piasek może w rzeczywistości płynąć pod górę.
Odkrycia zespołu opublikowano dzisiaj w czasopiśmie Nature Communications. Odpowiedni film pokazuje, co się dzieje, gdy do każdego ziarna przykłada się moment obrotowy i siłę przyciągania — ziarna przepływają w górę, w górę ścian oraz w górę i w dół po schodach.
„Po zastosowaniu równań opisujących przepływ materiałów ziarnistych” – mówi James Gilchrist, profesor inżynierii chemicznej i biomolekularnej Ruth H. i Sama Madrid w Rossin College of Engineering and Applied Science w Lehigh oraz jeden z autorów artykułu, „ byliśmy w stanie niezbicie wykazać, że cząstki te rzeczywiście poruszały się jak materiał ziarnisty, z tą różnicą, że płynęły pod górę.”
Naukowcy twierdzą, że to niezwykle niezwykłe odkrycie może odblokować wiele nowych wątków, które mogą prowadzić do szerokiego zakresu zastosowań, od opieki zdrowotnej po transport materiałów i rolnictwo.
Główny autor artykułu, dr Samuel Wilson-Whitford, były pracownik naukowy ze stopniem doktora w Laboratorium Mieszania Cząstek i Samoorganizacji Gilchrista, uchwycił ten ruch całkowicie przez przypadek w trakcie swoich badań nad mikrokapsułkowaniem. Kiedy obrócił magnes pod fiolką z cząstkami polimeru pokrytymi tlenkiem żelaza, zwanymi mikrorolkami, ziarna zaczęły gromadzić się w górę.
Wilson-Whitford i Gilchrist rozpoczęli badanie reakcji materiału na magnes w różnych warunkach. Kiedy wylewali mikrorolki bez aktywowania ich magnesem, spływały w dół. Kiedy jednak przyłożyli moment obrotowy za pomocą magnesów, każda cząsteczka zaczęła się obracać, tworząc tymczasowe dublety, które szybko się formowały i rozpadały. W rezultacie, mówi Gilchrist, powstaje spójność, która generuje ujemny kąt zsypu z powodu ujemnego współczynnika tarcia.
„Do tej pory nikt nie używałby tych terminów” – mówi. „Nie istniały. Aby jednak zrozumieć, w jaki sposób te ziarna płyną pod górę, obliczyliśmy, jakie naprężenia powodują, że poruszają się w tym kierunku. Jeśli masz ujemny kąt zsypu, musisz mieć spójność, aby uzyskać ujemny współczynnik tarcia. Te równania przepływu ziarnistego nigdy nie zostały wyprowadzone w celu uwzględnienia tych rzeczy, ale po ich obliczeniu wyszedł pozorny współczynnik tarcia, który jest ujemny.
Zwiększenie siły magnetycznej zwiększa spójność, co zapewnia ziarnom większą przyczepność i zdolność do szybszego poruszania się. Zbiorowy ruch wszystkich tych ziaren i ich zdolność do sklejania się pozwalają stosowi cząstek piasku zasadniczo współpracować, aby robić rzeczy sprzeczne z intuicją, takie jak wspinanie się po ścianach i wchodzenie po schodach. Zespół używa teraz wycinarki laserowej do budowy maleńkich schodów i nagrywa filmy przedstawiające materiał wznoszący się z jednej strony i opadający z drugiej. Pojedynczy mikrowałek nie byłby w stanie pokonać wysokości każdego stopnia, mówi Gilchrist. Ale współpracując, mogą.
„W tym pierwszym artykule skupiono się wyłącznie na tym, jak materiał przepływa pod górę, ale w kilku kolejnych artykułach skupimy się na zastosowaniach, a częścią tych badań będzie znalezienie odpowiedzi na pytanie, czy te mikrowalce mogą pokonywać przeszkody? Odpowiedź brzmi: tak”.
Potencjalne zastosowania mogą być dalekosiężne. Mikrorolek można używać do mieszania rzeczy, segregowania materiałów lub przenoszenia przedmiotów. A ponieważ badacze ci odkryli nowy sposób myślenia o tym, jak cząsteczki zasadniczo roją się i działają wspólnie, przyszłe zastosowania mogą znaleźć się w mikrorobotyce, która z kolei może znaleźć zastosowanie w opiece zdrowotnej. Gilchrist niedawno przedstawił artykuł badający ich zastosowanie w glebie jako środka dostarczania składników odżywczych przez porowaty materiał.
„Badamy te cząstki aż do śmierci” – mówi – „eksperymentując z różnymi prędkościami rotacji i różnymi siłami magnetycznymi, aby lepiej zrozumieć ich wspólny ruch. W zasadzie znam tytuły kolejnych 14 artykułów, które zamierzamy opublikować .”
Powiązani fundatorzy obejmują Laboratoria Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johna Hopkinsa, Narodową Fundację Nauki (1931681), Fundusz Rozwoju Wydziału McClurg Endowment na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej Uniwersytetu Lehigh. Do badań wykorzystano sprzęt Instytutu Materiałów i Urządzeń Funkcjonalnych (I-FMD) w Lehigh.