Tremper un tube dans un récipient rempli d'eau fera monter l'eau dans le tube. Ce phénomène est appelé capillarité liquide. Il est responsable de nombreux processus naturels et techniques, par exemple l'absorption d'eau des arbres, l'encre monte dans un stylo plume, et des éponges absorbant l'eau de vaisselle. Mais que se passe-t-il si le tube est plongé dans un récipient rempli non pas d'eau mais de sable ? La réponse est – rien. Cependant, si le tube est secoué de haut en bas, le sable commencera aussi à monter. Les scientifiques ont maintenant découvert le mécanisme derrière cet effet, ce qu'on appelle l'effet capillaire granulaire.

Dr Eric J. R. Parteli du Département des géosciences de l'Université de Cologne, Professeur Fengxian Fan de l'Université de Shanghai pour la science et la technologie, et le professeur Thorsten Pöschel de l'université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg ont maintenant publié les résultats de leur étude « Origin of Granular Capillarity Revealed by Particle-Based Simulations » dans Lettres d'examen physique .

La capillarité du liquide résulte de l'interaction de différentes forces moléculaires :l'attraction entre les molécules du liquide le maintient ensemble tandis que l'attraction entre les molécules et le tube pousse le liquide vers le haut. Cette explication exclut l'apparition de la capillarité pour le sable car les grains de sable sont tellement plus gros que leurs molécules constitutives que les forces intermoléculaires peuvent être négligées en toute sécurité par rapport à la gravité et à l'inertie des grains. Cependant, étonnamment, la capillarité granulaire a été observée dans des expériences de laboratoire dans lesquelles le matériau granulaire était soumis à une minuscule vibration verticale de quelques diamètres de grains en amplitude et à une fréquence de quelques Hertz. L'origine de cet effet capillaire granulaire était un mystère de longue date que l'équipe internationale de scientifiques a réussi à dévoiler.

Ils ont étudié le problème à l'aide d'une méthode de simulation numérique basée sur les particules appelée méthode des éléments discrets. Dans cette méthode, la trajectoire de chaque grain est calculée en résolvant numériquement les équations de Newton du mouvement de translation et de rotation dues aux forces qui agissent sur chaque grain. Grâce à une telle expérience numérique, il est ainsi possible de suivre la trajectoire et la vitesse de tous les grains, y compris les grains qui sont profondément dans la masse granulaire, difficiles à évaluer en laboratoire.

L'équipe de recherche a observé dans leurs simulations que ce qui fait monter la colonne de sable dans le tube est un mouvement convectif des grains de sable dans le récipient qui est inhérent aux matériaux granulaires soumis à des vibrations verticales. Ce flux convectif provoque un transport latéral de masse au sein du garnissage granulaire vibrant, ce qui conduit à une pression ascendante sur la base de la colonne granulaire dans le tube, c'est pourquoi la colonne monte. Les scientifiques ont découvert que la vitesse et la distance de montée de la colonne dépendent de la taille du tube. Remarquablement, les simulations ont montré que la hauteur du ménisque granulaire (la hauteur capillaire que la colonne granulaire atteint après une longue période) est proportionnelle à l'inverse de la taille du tube. C'est exactement le même comportement que pour la capillarité liquide, bien que les forces motrices des deux systèmes soient tellement différentes.

Les physiciens ont montré dans leur étude que le même effet capillaire peut être produit en secouant le tube au lieu du récipient, qui ouvre des applications prometteuses dans les secteurs de la manutention et du transport. Par exemple, les particules pourraient être pompées à partir de très grands conteneurs simplement en utilisant la capillarité granulaire. Ils étudient maintenant le processus plus en profondeur pour comprendre l'effet de la géométrie du système et des particules.