Mélanger des liquides est facile, ou du moins scientifiquement compris :une goutte de colorant alimentaire finira par se mélanger dans une tasse d'eau par diffusion, et une cuillerée de crème peut être mélangée au café avec une cuillère à travers ce qu'on appelle un mélange turbulent.

Mais que se passe-t-il si le matériau a les propriétés des liquides et des solides, ce qui est le cas pour des matériaux comme le béton, Peinture, et du sable ? Appelés matériaux à limite d'élasticité, ces mélanges peuvent à la fois couler comme des liquides et rester immobiles comme des solides.

Comprendre comment ces matériaux se mélangent a des implications dans des industries telles que les produits pharmaceutiques et la fabrication de béton, mais on sait encore peu de choses sur la meilleure façon de les mélanger.

Dans un nouveau papier en Communication Nature , Les professeurs de Northwestern Engineering constatent que le mélange de matériaux à limite d'élasticité crée à la fois des régions mixtes et non mixtes, fournissant un début fondamental pour comprendre comment concevoir au mieux les protocoles de mélange. Julio M. Ottono, Paul Umbanhowar, et Richard Lueptow ont été les co-auteurs de l'article.

« Les fondements théoriques de l'écoulement de la matière granulaire sont encore très incomplets, " dit Otton, Walter P. Murphy Professeur de génie chimique et biologique. "Nous avons trouvé une persistance remarquable de l'ordre au milieu du chaos."

La question était de savoir dans quelle mesure un matériau granulaire pouvait être mélangé dans un système de base :un gobelet sphérique. Le matériau se mélangerait-il comme un solide, par une méthode de "couper et mélanger" similaire à un jeu de cartes ? Ou se mélangerait-il comme un liquide visqueux, comme du miel, à travers un modèle « étirement et pliage » ?

Pour tester cette idée, les chercheurs ont rempli à moitié un gobelet sphérique avec des billes de verre de 2 millimètres. Lorsqu'il est tourné, la couche supérieure de billes coulait comme un fluide jusqu'au fond de la sphère, tandis que les autres perles sont restées en place, comme un solide.

Mais les chercheurs ont mélangé les perles en faisant tourner le gobelet le long de différents axes. Pour suivre à quel point les perles se sont mélangées, ils ont placé une particule de traceur de 4 mm à l'intérieur, puis ont exécuté les rotations encore et encore, parfois jusqu'à 500 fois, et a pris des images aux rayons X de la sphère pour voir où la particule traceuse s'est retrouvée.

Malgré l'essai de plusieurs protocoles de rotation différents, les chercheurs ont découvert qu'il y avait inévitablement des régions qui se mélangeaient et des régions qui ne se mélangeaient pas. C'était le résultat de l'interaction entre les deux méthodes de mélange, couper et mélanger et étirer et plier.

« Même si le matériau se déplace souvent en coins de cette manière de coupe et de brassage, tout ce que font ces cales, c'est se déplacer ensemble, " dit Umbanhowar, professeur-chercheur en génie mécanique. "Il y a des régions qui ne se mélangent jamais."

Comprendre ce concept peut conduire à des idées dans des endroits intéressants et inattendus, comme la loterie espagnole de Noël, où 100, 000 petites boules en bois avec des numéros de ticket uniques sont culbutées dans une sphère, tandis que 1, 807 balles étiquetées avec des prix sont culbutées dans une autre. Pendant le dessin, une boule de prix et un numéro de ticket correspondant sont tirés de chaque sphère jusqu'à ce que la sphère de boule de prix soit vide. Mais si le gobelet comprend des régions qui sont mélangées et des régions qui ne le sont pas, le placement initial de la balle dans le gobelet devient un facteur démesuré pour savoir si elle sera choisie.

"Il y a une attente d'aléatoire, mais nos résultats montrent que ce n'est pas le cas, ", a déclaré Otton.

Les chercheurs espèrent mener de futures études pour montrer comment ces informations peuvent être appliquées à différents matériaux.

"Cela nous donne un tout nouvel outil pour comprendre ce qui se mélange et ce qui ne se mélange pas, ", a déclaré Umbanhowar. "Ces résultats peuvent finalement être utilisés comme un outil de conception."