Forscher machen Sand, der bergauf fließt.

20. September 2023

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von der Lehigh University

Ingenieurforscher der Lehigh University haben herausgefunden, dass Sand tatsächlich bergauf fließen kann.

Die Ergebnisse des Teams wurden heute im Journal Nature Communications veröffentlicht. Ein entsprechendes Video zeigt, was passiert, wenn Drehmoment und eine anziehende Kraft auf jedes Korn wirken - die Körner fließen bergauf, an Wänden hoch und auf und ab Treppen.

„Nach Verwendung von Gleichungen, die den Fluss granularer Materialien beschreiben“, sagt James Gilchrist, der Ruth H. und Sam Madrid Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik am P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science der Lehigh University und einer der Autoren des Artikels, „konnten wir eindeutig zeigen, dass diese Partikel sich tatsächlich wie ein granulares Material bewegten, abgesehen davon, dass sie bergauf flossen.“

Die Forscher sagen, dass diese höchst ungewöhnliche Entdeckung viele weitere Forschungsmöglichkeiten eröffnen könnte, die zu einer Vielzahl von Anwendungen führen könnten, von der Gesundheitsversorgung bis hin zum Transport von Materialien und der Landwirtschaft.

Der Hauptautor des Artikels, Dr. Samuel Wilson-Whitford, ehemaliger Postdoktorand am Labor für Partikelvermischung und Selbstorganisation von Gilchrist, entdeckte die Bewegung des Materials eher zufällig im Rahmen seiner Forschung zur Mikroverkapselung. Als er einen Magneten unter einem Reagenzglas mit eisenoxidbeschichteten Polymerpartikeln namens Mikrorollern drehte, begannen die Körner sich bergauf zu schichten.

Wilson-Whitford und Gilchrist begannen zu untersuchen, wie das Material unter verschiedenen Bedingungen auf den Magneten reagierte. Wenn sie die Mikroroller ohne Aktivierung durch den Magneten gossen, flossen sie bergab. Wenn sie jedoch mithilfe der Magneten ein Drehmoment anwandten, begann jedes Partikel sich zu drehen, wodurch sich vorübergehend Doppelverbindungen bildeten, die schnell entstanden und zerbrachen. Das Ergebnis ist laut Gilchrist eine Kohäsion, die einen negativen Auflagerungswinkel durch einen negativen Reibungskoeffizienten erzeugt.

„Bis jetzt hätte niemand diese Begriffe verwendet“, sagt er. „Sie existierten nicht. Aber um zu verstehen, wie diese Körner bergauf fließen, haben wir berechnet, welche Spannungen sie dazu veranlassen, sich in diese Richtung zu bewegen. Wenn Sie einen negativen Auflagerungswinkel haben, dann müssen Sie eine Kohäsion haben, um einen negativen Reibungskoeffizienten zu erzeugen. Diese Gleichungen zum granularen Fluss wurden nie abgeleitet, um diese Dinge zu berücksichtigen, aber nach der Berechnung ergibt sich ein scheinbar negativer Reibungskoeffizient.“

Durch Erhöhung der magnetischen Kraft wird die Kohäsion erhöht, wodurch die Körner mehr Haftung erhalten und sich schneller bewegen können. Die gemeinsame Bewegung all dieser Körner und ihre Fähigkeit, aneinander zu haften, ermöglicht es Ihnen, dass eine Ansammlung von Sandpartikeln im Grunde genommen zusammenarbeitet, um ungewöhnliche Dinge zu tun - wie das Hochfließen an Wänden und das Besteigen von Treppen. Das Team verwendet nun einen Laser-Cutter, um winzige Treppen zu bauen, und nimmt Videos des Materials auf, das eine Seite hinauf- und die andere Seite hinuntersteigt. Ein einzelner Mikroroller könnte nicht über die Höhe jeder Stufe hinwegkommen, sagt Gilchrist. Aber gemeinsam können sie es.

"Dieser erste Artikel befasst sich nur damit, wie das Material bergauf fließt, aber unsere nächsten Artikel werden sich mit Anwendungen befassen, und ein Teil dieser Erkundung besteht darin, die Frage zu beantworten, ob diese Mikroroller Hindernisse überwinden können. Und die Antwort lautet ja."

Das Anwendungspotenzial könnte breit gefächert sein. Die Mikroroller könnten zum Mischen von Stoffen, zur Trennung von Materialien oder zum Bewegen von Objekten verwendet werden. Da diese Forscher eine neue Art und Weise entdeckt haben, wie die Partikel im Wesentlichen zusammenströmen und kollektiv arbeiten, könnten zukünftige Anwendungen in der Mikrorobotik liegen, was wiederum Anwendungen im Gesundheitswesen haben könnte. Gilchrist reichte kürzlich einen Artikel ein, der ihren Einsatz in Böden zur Lieferung von Nährstoffen durch ein poröses Material untersucht.

"Wir untersuchen diese Partikel bis zum Tod", sagt er, "experimentieren mit unterschiedlichen Drehzahlen und verschiedenen Magnetkräften, um ihr kollektives Verhalten besser zu verstehen. Ich kenne im Grunde genommen die Titel der nächsten 14 Artikel, die wir veröffentlichen werden."

Journalinformation: Nature Communications

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