Движение в потоке сыпучих материалов, таких как песок и каталитические частицы, используемые в химических реакторах, лежит в основе широкого спектра природных явлений — от оползней до извержений вулканов. Этот же механизм применяется в промышленных процессах — от фармацевтического производства до улавливания углерода. Движение и смешивание сыпучих веществ часто демонстрируют поразительное сходство с жидкостями, как это происходит в движущихся песчаных дюнах, лавинах и зыбучих песках. В то же время физика, лежащая в основе подобных сыпучих потоков, не так понятна, как потоки жидкости.
Недавнее открытие Криса Бойса, доцента химической инженерии в Колумбийском университете, объясняет природу нового семейства гравитационных неустойчивостей в гранулированных частицах различной плотности, которые приводятся в действие газом. Подобные процессы не происходят в жидкостях. В сотрудничестве с группой профессора в области энергетики и инженерных наук Кристофа Мюллера из Швейцарской высшей технической школы Цюриха команда Бойса открыла неожиданную нестабильность, подобную Рэлею-Тейлору, когда более легкие зерна поднимаются через более тяжелые зерна в виде «пальцев» и «зернистых пузырьков». Нестабильность Рэлея-Тейлора возникает в результате взаимодействия двух жидкостей различной плотности, которые не смешиваются — например, масла и воды, потому что более легкая жидкость отталкивает более тяжелую. Между двумя сухими гранулированными материалами такого раньше не наблюдалось
Исследование Бойса впервые показало, что «пузырь» из легкого песка может подняться через тяжелый песок, при условии что оба типа песка подвержены вертикальной вибрации и воздействию восходящего потока газа. Ученые обнаружили , что так же, как поднимаются воздушные и масляные пузырьки в воде, потому что они легче воды и не хотят смешиваться с ней, пузырьки легкого песка проходят через тяжелый песок, даже если два типа песка тщательно попытаться перемешать.
«Мы считаем, что наше открытие трансформирует науку», — отмечает Бойс. «Мы нашли “гранулированный” аналог жидкостных механических нестабильностей. Наши результаты могут не только объяснить геологические образования и процессы, лежащие в основе формирования месторождений полезных ископаемых, но также могут быть использованы в технологии порошковой обработки в энергетике, строительстве и фармацевтической промышленности».
Исследователи также обнаружили, что газовый поток, воздействующий на песок, также создает другие гравитационные неустойчивости, в том числе каскадное ветвление нисходящей гранулированной капли. Они также показали, что нестабильность Рэлея-Тейлора как неустойчивость имеет место в широком диапазоне расхода газа и условий вибрации, образуя различные структуры при различных условиях возбуждения.
«Эти неустойчивости, которые могут быть применены к различным системам, проливают свет на динамику гранулированной среды и предлагают новые возможности для формирования рисунка в пределах гранулированных смесей для формирования новых продуктов в фармацевтической промышленности», — добавляет Бойс. «Мы особенно рады о потенциальном влиянии наших выводов о геологических науках — эти неустойчивости помогут нам понять, как образовалась структура планеты за долгую историю Земли, и предсказать, как будут формироваться другие в будущем».