Investigadores crean arena que fluye cuesta arriba.

20 de septiembre de 2023

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por la Universidad de Lehigh

Investigadores de ingeniería en la Universidad de Lehigh han descubierto que la arena puede fluir hacia arriba.

Los hallazgos del equipo fueron publicados hoy en la revista Nature Communications. Un video correspondiente muestra lo que sucede cuando se aplica torque y una fuerza atractiva a cada grano: los granos fluyen hacia arriba, contra las paredes y suben y bajan escaleras.

"Después de utilizar ecuaciones que describen el flujo de materiales granulares", dice James Gilchrist, profesor de Ingeniería Química y Biomolecular en el P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science de Lehigh y uno de los autores del artículo, "pudimos demostrar de manera concluyente que estas partículas se estaban moviendo como un material granular, excepto que estaban fluyendo hacia arriba".

Los investigadores afirman que este descubrimiento altamente inusual podría desbloquear muchas más líneas de investigación que podrían conducir a una amplia gama de aplicaciones, desde la atención médica hasta el transporte de materiales y la agricultura.

El autor principal del artículo, el Dr. Samuel Wilson-Whitford, ex investigador postdoctoral en el Laboratorio de Mezcla y Autorganización de Partículas de Gilchrist, capturó el movimiento por casualidad durante su investigación sobre microencapsulación. Cuando giró un imán debajo de un frasco de partículas de polímero recubiertas de óxido de hierro llamadas microrrollers, los granos comenzaron a acumularse hacia arriba.

Wilson-Whitford y Gilchrist comenzaron a estudiar cómo reaccionaba el material al imán en diferentes condiciones. Cuando vertieron los microrrollers sin activarlos con el imán, fluyeron cuesta abajo. Pero cuando aplicaron torque utilizando los imanes, cada partícula comenzó a girar, creando dúos temporales que se formaban y se deshacían rápidamente. El resultado, según Gilchrist, es una cohesión que genera un ángulo de reposo negativo debido a un coeficiente de fricción negativo.

"Hasta ahora, nadie habría utilizado estos términos", dice. "No existían. Pero para entender cómo estos granos fluyen hacia arriba, calculamos cuáles son las tensiones que los hacen mover en esa dirección. Si tienes un ángulo de reposo negativo, entonces debes tener cohesión para dar un coeficiente de fricción negativo. Estas ecuaciones de flujo granular nunca se derivaron para considerar estas cosas, pero después de calcularlo, lo que resulta es un coeficiente de fricción aparente que es negativo".

Aumentar la fuerza magnética aumenta la cohesión, lo que brinda a los granos más tracción y la capacidad de moverse más rápido. El movimiento colectivo de todos esos granos y su capacidad para pegarse entre sí permiten que un montón de partículas de arena trabaje juntas para hacer cosas contraintuitivas, como fluir hacia arriba por las paredes y subir escaleras. El equipo ahora está utilizando un cortador láser para construir pequeñas escaleras y está grabando videos del material ascendiendo por un lado y descendiendo por el otro. Según Gilchrist, un solo microroller no podría superar la altura de cada escalón, pero trabajando juntos, pueden hacerlo.

"Este primer artículo se centra solo en cómo el material fluye hacia arriba, pero nuestros próximos varios artículos se centrarán en las aplicaciones, y parte de esa exploración es responder a la pregunta: ¿pueden estos microrrollers superar obstáculos? Y la respuesta es sí".

Las aplicaciones potenciales podrían ser muy amplias. Los microrrollers podrían usarse para mezclar cosas, segregar materiales o mover objetos. Debido a que estos investigadores han descubierto una nueva forma de pensar en cómo las partículas básicamente enjambran y trabajan colectivamente, las futuras aplicaciones podrían estar en microrrobótica, lo que a su vez podría tener aplicaciones en la atención médica. Gilchrist presentó recientemente un artículo que explora su uso en el suelo como medio para suministrar nutrientes a través de un material poroso.

"Estamos estudiando estas partículas hasta la muerte", dice. "Experimentando con diferentes velocidades de rotación y diferentes cantidades de fuerza magnética para entender mejor su movimiento colectivo. Básicamente, ya sé los títulos de los próximos 14 artículos que vamos a publicar".

Información de la revista: Nature Communications

Proporcionado por Universidad de Lehigh