Le flux de matériaux granulaires, comme le sable et les particules catalytiques utilisées dans les réacteurs chimiques, explique un large éventail de phénomènes naturels, des coulées de boue aux volcans, et permet un large éventail de processus industriels, de la production pharmaceutique à la capture du carbone. Alors que le mouvement et le mélange de la matière granulaire présentent souvent des similitudes frappantes avec les liquides, comme dans les dunes de sable mouvantes, avalanche, et des sables mouvants, la physique sous-jacente aux écoulements granulaires n'est pas aussi bien comprise que celle des écoulements liquides.

Maintenant, une découverte récente de Chris Boyce, professeur adjoint de génie chimique à Columbia Engineering, explique une nouvelle famille d'instabilités gravitationnelles dans des particules granulaires de différentes densités qui sont entraînées par un mécanisme de canalisation de gaz que l'on ne voit pas dans les fluides. En collaboration avec le groupe du professeur Christoph Müller en sciences de l'énergie et de l'ingénierie à l'ETH Zurich, L'équipe de Boyce a observé une instabilité inattendue de type Rayleigh-Taylor (R-T) dans laquelle des grains plus légers montent à travers des grains plus lourds sous la forme de "doigts" et de "bulles granulaires". instabilités R-T, qui sont produits par les interactions de deux fluides de densités différentes qui ne se mélangent pas, l'huile et l'eau, par exemple, parce que le fluide le plus léger écarte le plus lourd, n'ont pas été observés entre deux matériaux granulaires secs.

L'étude, publié aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , est le premier à démontrer que des « bulles » de sable plus léger se forment et montent à travers un sable plus lourd lorsque les deux types de sable sont soumis à des vibrations verticales et à un flux de gaz ascendant, semblable aux bulles qui se forment et montent dans les lampes à lave. L'équipe a constaté que, tout comme les bulles d'air et d'huile montent dans l'eau car elles sont plus légères que l'eau et ne veulent pas se mélanger avec elle, des bulles de sable léger s'élèvent à travers du sable plus lourd même si deux types de sable aiment se mélanger.

"Nous pensons que notre découverte est transformationnelle, " dit Boyce " Nous avons trouvé un analogue granulaire de l'une des dernières grandes instabilités mécaniques des fluides. Alors que des analogues des autres instabilités majeures ont été découverts dans les écoulements granulaires au cours des dernières décennies, l'instabilité R-T a échappé à la comparaison directe. Nos découvertes pourraient non seulement expliquer les formations géologiques et les processus qui sous-tendent les gisements minéraux, mais pourrait également être utilisé dans les technologies de traitement des poudres dans l'énergie, construction, et l'industrie pharmaceutique."

Le groupe de Boyce a utilisé une modélisation expérimentale et informatique pour montrer que la canalisation du gaz à travers des particules plus légères déclenche la formation de motifs de doigts et de bulles. La canalisation du gaz se produit parce que les grappes de briquet, les particules plus grosses ont une plus grande perméabilité au flux de gaz que les plus lourdes, grains plus petits. L'instabilité de type R-T dans les matériaux granulaires résulte d'une compétition entre la force de traînée vers le haut augmentée localement par la canalisation du gaz et les forces de contact vers le bas, un mécanisme physique entièrement différent de celui trouvé dans les liquides.

Ils ont découvert que ce mécanisme de canalisation des gaz génère également d'autres instabilités gravitationnelles, y compris la ramification en cascade d'une gouttelette granulaire descendante. Ils ont également démontré que l'instabilité de type R-T peut se produire dans une grande variété de conditions d'écoulement de gaz et de vibration, formant différentes structures sous différentes conditions d'excitation.

« Ces instabilités, qui peut être appliqué à une variété de systèmes, jeter un nouvel éclairage sur la dynamique granulaire et suggérer de nouvelles opportunités de structuration au sein de mélanges granulaires pour former de nouveaux produits dans l'industrie pharmaceutique, par exemple, " Boyce ajoute. " Nous sommes particulièrement enthousiasmés par l'impact potentiel de nos découvertes sur les sciences géologiques. Ces instabilités peuvent nous aider à comprendre comment les structures se sont formées au cours de la longue histoire de la Terre et à prédire comment d'autres pourraient se former à l'avenir. "

Boyce étudie maintenant d'autres phénomènes de type liquide et structurés dans les particules de sable et quantifie leur comportement. Il est également en conversation avec des géologues et des volcanologues pour en savoir plus sur la façon dont ce processus et d'autres similaires se produisent dans le monde naturel.