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Jun 05, 2023

Was haben Gelee und Sand gemeinsam?

Gemeinsamer Destabilisierungsmechanismus für Körner und Gele unter der Schwerkraft Bild der Tokyo Metropolitan University: Wenn Sandbetten (a) und Gele (b) destabilisiert werden, kommt es zu ähnlichen „Fingering“-Instabilitäten

Gemeinsamer Destabilisierungsmechanismus für Körner und Gele unter der Schwerkraft

Tokyo Metropolitan University

Bild: Wenn Sandbetten (a) und Gele (b) destabilisiert werden, bilden sich im Laufe der Zeit ähnliche „Finger“-Instabilitäten (von links nach rechts).mehr sehen

Bildnachweis: Tokyo Metropolitan University

Tokio, Japan – Forscher der Tokyo Metropolitan University haben wichtige Ähnlichkeiten zwischen dem Verhalten körniger Materialien und schmelzender Gele identifiziert. Sie fanden heraus, dass fallende Sandbetten den gleichen Destabilisierungsmechanismus haben wie schmelzende Gelatine, wenn diese von unten erhitzt wird, insbesondere wie Schlüsselparameter mit der Dicke des fluidisierten Bereichs skalieren. Ihre Ergebnisse liefern wichtige Fortschritte in unserem Verständnis der Destabilisierung durch Schwerkraft, wie sie bei Lawinen, Erdrutschen und industriellen Transportprozessen zu beobachten ist.

Sand und Gelee sehen sich möglicherweise nicht sehr ähnlich. Aber die Dinge ändern sich, wenn wir uns auf ihre physikalischen Eigenschaften konzentrieren. Sand besteht aus Milliarden Körnern fester Materie, die sich wie eine Flüssigkeit vergießen und wie ein Feststoff Rohre verstopfen können. Gelierende Materialien wie Gelatinelösungen gießen bei hoher Temperatur wie eine Flüssigkeit, nehmen beim Abkühlen jedoch plötzlich feststoffartige Eigenschaften an. Wenn wir uns die mikroskopischen Details ansehen, erkennen wir, dass die Festigkeit von Gelen auf Netzwerken aus Polymeren oder Proteinen beruht, die ein Material kreuz und quer durchziehen. Dies ähnelt der Art und Weise, wie „Kraftketten“, also Netzwerke aufeinander drückender Körner, die scheinbare Festigkeit von Sand entstehen lassen. Diese faszinierende Verbindung von festem und flüssigkeitsähnlichem Verhalten bildet das Rückgrat vieler Naturphänomene wie Lawinen und Erdrutsche, ist aber noch wenig verstanden.

Diese Ähnlichkeiten inspirierten Dr. Kazuya Kobayashi und Professor Rei Kurita von der Tokyo Metropolitan University dazu, physikalische Gele und Sandbetten beim Fluidisieren direkt zu vergleichen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras beobachteten sie die Fluidisierung dünner Schichten aus Sand und Gelatinelösungen. Bei Sand wurden vorgeformte Kornbetten in Luft oder Wasser umgedreht und beobachtet, wie die Basis herauszufallen begann. Für Gelatine wurden zwei Schichten mit unterschiedlichen Gelatinekonzentrationen übereinander hergestellt. Die Konzentrationen wurden so gewählt, dass die untere Schicht zuerst vollständig verflüssigt. Wenn das Material von unten erhitzt wird, würde sich die obere Schicht destabilisieren und beginnen zu fallen.

In beiden Systemen stellte das Team Fingering-Instabilitäten fest, bei denen dünne Materialfinger in das darunter liegende Material (oder Luft/Wasser) fallen und so Regentropfen ähneln, die durch ein Fenster fallen. Mit der Zeit würden neue Finger zwischen den bestehenden entstehen und die Grenzfläche zwischen den flüssigen und den feststoffähnlichen Teilen würde sich zurückbilden. Durch den Einsatz einer speziellen Bildgebungstechnik konnte das Team außerdem einen „verflüssigten“ Grenzflächenbereich über dem eigentlichen Beginn der Finger identifizieren. Es wurde festgestellt, dass die Dicke dieser Region stark mit Schlüsselparametern wie der Geschwindigkeit, mit der sich die Front zurückzieht, und dem Abstand zwischen den Fingern korreliert. Diese Art von Beziehung wird als „Skalierungsbeziehung“ bezeichnet und ist in der Physik wichtig, um Phänomene zu verbinden, die zunächst unterschiedlich erscheinen, aber durch ihre Mechanismen auf einer tieferen Ebene miteinander verbunden sein könnten. In diesem Fall ist dies ein starker Beweis dafür, wie die Ähnlichkeiten zwischen den Materialien, dh die Konnektivität eines krafttragenden Netzwerks, ihrem makroskopischen physikalischen Verhalten zugrunde liegen.

Durch ihre umfangreichen Experimente liefert die Arbeit des Teams wertvolle Einblicke in die Destabilisierung körniger Materialien und Gele unter der Schwerkraft, mit Auswirkungen sowohl auf Fluidisierungsphänomene in der Natur als auch auf die Gestaltung von Transportsystemen für körnige Materialien im industriellen Maßstab.

Diese Arbeit wurde durch JSPS KAKENHI Grants-in-Aid für JSPS Research Fellows (Grant-Nummer 17J03066), junge Wissenschaftler (Grant-Nummern 19K23428 und 20K14379) und Scientific Research (B) (Grant-Nummern JP17H02945 und 20H01874) unterstützt.

Wissenschaftliche Berichte

10.1038/s41598-022-10045-x

Wichtiger Zusammenhang zwischen Gravitationsinstabilität in physikalischen Gelen und körnigen Medien

15.04.2022

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