Des chercheurs de Rochester découvrent le rôle inattendu de la forme des grains dans le mélange de systèmes granulaires tels que les produits pharmaceutiques, les céréales et les glissements de terrain.

Vos céréales du matin, un pot de noix, le sable de planètes lointaines et même le béton de votre ville sont autant d'exemples des systèmes granulaires qui nous entourent. Et de tels systèmes recèlent des secrets qui pourraient changer notre façon de mélanger les choses.

Dans un nouvel article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences , des scientifiques de l'Université de Rochester, dont Rachel Glade, professeure adjointe de sciences de la Terre et de l'environnement et de génie mécanique ; Fernando David Cúñez, ancien associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire de Glade et maintenant associé de recherche postdoctoral au Rochester Institute of Technology ; et Div Patel, ont étudié les matériaux granulaires et ont découvert le rôle inattendu que joue la forme des grains dans le comportement des systèmes granulaires.

"Les matériaux granulaires ont des comportements particuliers", explique Cúñez, "mais nous ne savons pas grand-chose sur leur comportement exact, car leur comportement dépend de nombreuses circonstances différentes."

L'effet noix du Brésil

Les matériaux granulaires tels que les céréales, les produits pharmaceutiques, le sable et le béton s'organisent généralement de telle manière que les grains se séparent en fonction de leur taille plutôt que de se mélanger uniformément. Par exemple, dans un pot de noix, les plus grosses noix se trouvent généralement au sommet, un phénomène connu sous le nom de « l'effet noix du Brésil ».

L’effet noix du Brésil peut être une nuisance pour de nombreuses industries, notamment l’alimentation et la médecine, car il empêche un mélange uniforme. Cela a également des influences dans la nature, où la ségrégation des grains peut modifier la dynamique des géorisques tels que les glissements de terrain, l'érosion et les coulées de débris.

Si le phénomène est bien connu, il n’est pas encore entièrement compris. Les chercheurs se sont également traditionnellement concentrés sur la taille des grains, la plupart des études antérieures supposant que les grains sont sphériques, une uniformité qui reflète rarement la réalité.

Dynamique de changement de forme

Glade et son équipe ont utilisé des simulations informatiques avancées comparant des mélanges de sphères avec des mélanges de sphères et de cubes dans un tambour rotatif et dans une configuration semblable à une rivière pour étudier comment la forme des grains affecte la ségrégation dans des conditions sèches et humides, respectivement. Leurs recherches ont révélé que même de petites différences dans la forme des grains peuvent modifier considérablement la dynamique de la ségrégation des grains.

Plus précisément, les chercheurs ont découvert les modèles suivants dans les mélanges en système sec :

• Dans un mélange de sphères de différentes tailles :la ségrégation augmente, avec un plus grand nombre de sphères plus grandes montant vers le sommet, lorsque le rapport entre les sphères de grand volume et les sphères de petit volume est plus grand.
• Dans un mélange de sphères de même taille et de cubes plus grands :la ségrégation a tendance à être la même que dans le cas des sphères uniquement, les sphères les plus grandes s'élevant vers le haut.
• Dans un mélange de sphères de même taille et de cubes plus petits :la ségrégation a tendance à diminuer, la plupart des sphères plus grandes s'élevant vers le haut, mais dans une moindre mesure que dans le mélange composé uniquement de sphères.

Il est intéressant de noter que dans un système fluide, la tendance s'inverse :dans un mélange de sphères de même taille et de cubes plus petits, les cubes les plus petits se déplacent vers le haut.

"Une façon de voir les choses est que la forme des grains modifie la ségrégation à la fois quantitativement (dans le cas d'un tambour sec, les cubes diminuent le degré de ségrégation) et qualitativement (dans le cas d'une rivière humide, les cubes modifient les modèles de ségrégation", explique Glade.

Remodeler l'industrie et la nature

Les recherches futures exploreront pourquoi ces changements dans la ségrégation se produisent. Les chercheurs supposent que cela est probablement dû à plusieurs facteurs, notamment les forces exercées sur les différentes particules qui les font coller ensemble et résister au mouvement de différentes manières.

Quoi qu'il en soit, l'étude montre à quel point la forme des grains est importante dans divers domaines.

Soulignant les implications plus larges, Glade déclare :« nos travaux démontrent l'importance de la recherche interdisciplinaire, s'inspirant de la physique, de l'ingénierie et des sciences de la Terre. Cette collaboration ouvre la voie à des travaux futurs visant à mieux comprendre et prédire les géorisques, à atténuer les problèmes de ségrégation dans les flux industriels. , et améliorer notre compréhension des matériaux granulaires sur Terre et sur d'autres planètes."

Plus d'informations : Fernando David Cúñez et al, Comment la forme des particules affecte la ségrégation granulaire dans les flux industriels et géophysiques, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2307061121

Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences

Fourni par l'Université de Rochester