Les chercheurs créent du sable qui s'écoule vers le haut.

20 septembre 2023

Cet article a été examiné selon le processus éditorial et les politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en évidence les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu:

• vérification des faits
• publication examinée par des pairs
• source fiable
• relecture

par Lehigh University

Les chercheurs en ingénierie de l'Université Lehigh ont découvert que le sable peut en fait s'écouler en montée.

Les découvertes de l'équipe ont été publiées aujourd'hui dans la revue Nature Communications. Une vidéo correspondante montre ce qui se passe lorsque le couple et une force attractive sont appliqués à chaque grain - les grains s'écoulent en montée, sur les murs et sur les escaliers.

« Après avoir utilisé des équations décrivant l'écoulement des matériaux granulaires », explique James Gilchrist, professeur de génie chimique et biomoléculaire Ruth H. et Sam Madrid au P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science de Lehigh, et l'un des auteurs de l'article, « nous avons pu prouver de manière concluante que ces particules se déplaçaient effectivement comme un matériau granulaire, sauf qu'elles s'écoulaient en montée. »

Les chercheurs affirment que cette découverte très inhabituelle pourrait ouvrir de nombreuses autres pistes de recherche qui pourraient conduire à une vaste gamme d'applications, de la santé au transport de matériaux et à l'agriculture.

Le principal auteur de l'article, le Dr Samuel Wilson-Whitford, ancien associé de recherche postdoctorale au Laboratoire de mélange de particules et d'auto-organisation de Gilchrist, a capturé le mouvement totalement par hasard au cours de ses recherches sur la microencapsulation. Lorsqu'il a fait tourner un aimant sous un flacon de particules de polymère revêtues d'oxyde de fer appelées microrollers, les grains se sont accumulés en montée.

Wilson-Whitford et Gilchrist ont ensuite étudié comment le matériau réagissait à l'aimant dans différentes conditions. Lorsqu'ils ont versé les microrollers sans les activer avec l'aimant, ils s'écoulaient en descente. Mais lorsqu'ils appliquaient un couple à l'aide des aimants, chaque particule commençait à tourner, créant des doublets temporaires qui se formaient rapidement et se brisaient. Le résultat, explique Gilchrist, est une cohésion qui génère un angle de repos négatif en raison d'un coefficient de frottement négatif.

« Jusqu'à présent, personne n'aurait utilisé ces termes », dit-il. « Ils n'existaient pas. Mais pour comprendre comment ces grains s'écoulent en montée, nous avons calculé les contraintes qui les font se déplacer dans cette direction. Si vous avez un angle de repos négatif, alors vous devez avoir une cohésion pour donner un coefficient de frottement négatif. Ces équations d'écoulement granulaire n'ont jamais été dérivées pour tenir compte de ces éléments, mais après les avoir calculées, ce qui en est ressorti est un coefficient de frottement apparent qui est négatif. »

L'augmentation de la force magnétique augmente la cohésion, ce qui donne aux grains plus de traction et une plus grande capacité à se déplacer rapidement. Le mouvement collectif de tous ces grains, et leur capacité à adhérer les uns aux autres, permet aux particules de sable de travailler ensemble de manière contre-intuitive, comme s'écouler sur les murs et monter les escaliers. L'équipe utilise maintenant une découpeuse laser pour construire de petites escaliers et filme le matériau qui monte d'un côté et descend de l'autre. Un seul microroller ne pourrait pas surmonter la hauteur de chaque marche, explique Gilchrist. Mais en travaillant ensemble, ils le peuvent.

« Ce premier article se concentre seulement sur la façon dont le matériau s'écoule en montée, mais nos prochains articles examineront les applications, et une partie de cette exploration consiste à répondre à la question suivante : ces microrollers peuvent-ils monter des obstacles ? Et la réponse est oui. »

Les applications potentielles pourraient être très variées. Les microrollers pourraient être utilisés pour mélanger des choses, ségréger des matériaux ou déplacer des objets. Parce que ces chercheurs ont découvert un nouveau moyen de penser à la manière dont les particules se regroupent et travaillent collectivement, leurs utilisations futures pourraient être dans la microrobotique, qui à son tour pourrait avoir des applications dans les soins de santé. Gilchrist a récemment soumis un document explorant leur utilisation sur le sol comme moyen de fournir des nutriments à travers un matériau poreux.

« Nous étudions ces particules à l'excès », dit-il, « en expérimentant avec différents taux de rotation et différentes quantités de force magnétique pour mieux comprendre leur mouvement collectif. Je connais essentiellement les titres des 14 prochains articles que nous allons publier. »

Informations sur la revue : Nature Communications

Fourni par l'Université Lehigh