I ricercatori creano sabbia che scorre in salita.

20 settembre 2023

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da Lehigh University

I ricercatori nel campo dell'ingegneria presso l'Università di Lehigh hanno scoperto che la sabbia può effettivamente fluire in salita.

Le scoperte del team sono state pubblicate oggi sulla rivista Nature Communications. Un video corrispondente mostra cosa succede quando viene applicato del momento e una forza attrattiva a ogni granello: i granuli scorrono in salita, su pareti e su e giù per le scale.

"Dopo aver utilizzato equazioni che descrivono il flusso di materiali granulari", afferma James Gilchrist, il professore Ruth H. e Sam Madrid di Ingegneria Chimica e Biomolecolare presso il P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science dell'Università di Lehigh e uno degli autori dello studio, "siamo stati in grado di dimostrare in modo conclamato che queste particelle si muovevano come un materiale granulare, tranne che scorrevano in salita".

I ricercatori affermano che questa scoperta altamente insolita potrebbe aprire molte altre linee di ricerca che potrebbero portare a una vasta gamma di applicazioni, dalla cura della salute al trasporto di materiali e all'agricoltura.

Il primo autore dell'articolo, il dottor Samuel Wilson-Whitford, ex membro post-dottorato di ricerca nel Laboratorio di Mixing e Auto-organizzazione dei Particelle di Gilchrist, ha documentato il movimento completamente per caso nel corso delle sue ricerche sulla microincapsulazione. Quando ha fatto ruotare un magnete sotto un contenitore di particelle polimeriche rivestite di ossido di ferro chiamate microrollers, i granuli hanno iniziato a accumularsi in salita.

Wilson-Whitford e Gilchrist hanno iniziato a studiare come il materiale reagisse al magnete in diverse condizioni. Quando hanno versato i microrollers senza attivarli con il magnete, i granuli scorrevano in discesa. Ma quando hanno applicato momento magnetico utilizzando i magneti, ogni particella ha iniziato a ruotare, creando coppie temporanee che si sono formate e si sono disgregate rapidamente. Il risultato, afferma Gilchrist, è la coesione che genera un angolo di riposo negativo a causa di un coefficiente di attrito negativo.

"Fino ad ora, nessuno avrebbe utilizzato questi termini", afferma. "Non esistevano. Ma per capire come fluivano questi granuli in salita, abbiamo calcolato quali sforzi li spingessero in quella direzione. Se hai un angolo di riposo negativo, allora devi avere coesione per dare un coefficiente di attrito negativo. Queste equazioni di flusso granulare non sono mai state sviluppate per considerare queste cose, ma dopo averlo calcolato, è risultato un apparente coefficiente di attrito negativo".

Aumentare la forza magnetica aumenta la coesione, ciò dà ai granuli una maggiore aderenza e la capacità di muoversi più velocemente. Il movimento collettivo di tutti quei granuli, e la loro capacità di aderire l'uno all'altro, consente a un mucchio di granuli di sabbia di lavorare essenzialmente insieme per fare cose controintuitive - come fluire su pareti e scalare scale. Il team sta ora utilizzando un taglierino laser per costruire scale piccolissime e sta realizzando video del materiale che sale su un lato e scende dall'altro. Singoli microrollers non potrebbero superare l'altezza di ogni gradino, afferma Gilchrist. Ma lavorando insieme, possono farlo.

"Questo primo articolo si concentra solo su come il materiale fluisce in salita, ma i nostri prossimi articoli esamineranno le applicazioni, e parte di questa esplorazione sarà rispondere alla domanda se questi microrollers possano superare gli ostacoli e la risposta è sì".

Le possibili applicazioni potrebbero essere molto ampie. I microrollers potrebbero essere utilizzati per mescolare sostanze, separare materiali o spostare oggetti. Poiché questi ricercatori hanno scoperto un nuovo modo di pensare a come le particelle si radunano ed operano collettivamente, utilizzi futuri potrebbero riguardare la microrobotica, che a sua volta potrebbe avere applicazioni nel settore sanitario. Di recente, Gilchrist ha presentato un articolo che esplora il loro utilizzo nel terreno come mezzo per fornire nutrienti attraverso un materiale poroso.

"Stiamo studiando queste particelle fino alla morte", dice, "sperimentando con diverse velocità di rotazione e diverse quantità di forza magnetica per comprendere meglio il loro movimento collettivo. Sostanzialmente conosco i titoli dei prossimi 14 articoli che pubblicheremo".

Fornito da: Lehigh University