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Jun 05, 2023

¿Qué tienen en común la gelatina y la arena?

Mecanismo de desestabilización común encontrado para granos y geles bajo gravedad Imagen de la Universidad Metropolitana de Tokio: Cuando los lechos de arena (a) y los geles (b) se desestabilizan, se producen inestabilidades similares de "dedos".

Mecanismo de desestabilización común encontrado para granos y geles bajo gravedad

Universidad Metropolitana de Tokio

Imagen: Cuando los lechos de arena (a) y los geles (b) se desestabilizan, se observa que se forman inestabilidades similares con el tiempo (de izquierda a derecha).ver más

Crédito: Universidad Metropolitana de Tokio

Tokio, Japón – Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han identificado similitudes clave entre el comportamiento de los materiales granulares y los geles en fusión. Descubrieron que los lechos de arena que caen comparten el mismo mecanismo de desestabilización que la gelatina derretida cuando se calienta desde abajo, particularmente cómo los parámetros clave escalan con el espesor de la región fluidizada. Sus hallazgos proporcionan avances importantes en nuestra comprensión de la desestabilización bajo la gravedad, como se ve en avalanchas, deslizamientos de tierra y procesos de transporte industrial.

Puede que la arena y la gelatina no se parezcan mucho. Pero la cosa cambia cuando nos centramos en sus propiedades físicas. La arena está formada por miles de millones de granos de material sólido, que pueden derramarse como un líquido y obstruir las tuberías como un sólido. Los materiales gelificantes, como las soluciones de gelatina, se vierten como un líquido a alta temperatura, pero de repente adquieren propiedades sólidas cuando se enfrían. Al observar los detalles microscópicos, vemos que la solidez de los geles está sustentada por redes de polímeros o proteínas que entrecruzan un material; Esto es similar a cómo las “cadenas de fuerza”, redes de granos que se empujan entre sí, dan lugar a la aparente solidez de la arena. Esta fascinante unión del comportamiento de los sólidos y los líquidos forma la columna vertebral de muchos fenómenos naturales como avalanchas y deslizamientos de tierra, pero aún no se comprende bien.

Estas similitudes inspiraron al Dr. Kazuya Kobayashi y al profesor Rei Kurita de la Universidad Metropolitana de Tokio a comparar directamente geles físicos y lechos de arena a medida que se fluidizan. Observaron la fluidización de lechos finos de arena y soluciones de gelatina utilizando cámaras de alta velocidad. Para la arena, se invirtieron lechos de granos preformados en aire o agua y se observaron a medida que la base comienza a caer. Para la gelatina se prepararon dos capas con diferentes concentraciones de gelatina, una encima de la otra. Las concentraciones se eligieron de modo que la capa inferior se fluidificara completamente primero. A medida que el material se calienta desde abajo, la capa superior se desestabilizaría y comenzaría a caer.

En ambos sistemas, el equipo encontró inestabilidades de digitación, donde finos dedos de material caen en el material (o aire/agua) debajo, asemejándose a gotas de lluvia que caen por una ventana. Con el tiempo, aparecerían nuevos dedos entre los existentes y la interfaz entre las partes líquidas y sólidas retrocedería. Mediante el uso de una técnica de imagen especial, el equipo también pudo identificar una región de interfaz "fluidizada" encima de donde realmente comienzan los dedos. Se descubrió que el grosor de esta región estaba fuertemente correlacionado con parámetros clave como la velocidad a la que retrocede el frente y la distancia entre los dedos. Este tipo de relación se denomina relación de "escala" y es importante en física para conectar fenómenos que pueden parecer diferentes inicialmente pero que pueden estar relacionados en un nivel más profundo a través de sus mecanismos. En este caso, se trata de una fuerte evidencia de cómo las similitudes entre los materiales, es decir, la conectividad de una red portadora de fuerzas, subyace a su comportamiento físico macroscópico.

A través de sus extensos experimentos, el trabajo del equipo ofrece información valiosa sobre cómo los materiales granulares y los geles se desestabilizan bajo la gravedad, con implicaciones tanto para los fenómenos de fluidización en la naturaleza como para el diseño de sistemas de transporte de materiales granulares a escalas industriales.

Este trabajo fue apoyado por las subvenciones JSPS KAKENHI para becarios de investigación de JSPS (número de subvención 17J03066), jóvenes científicos (números de subvención 19K23428 y 20K14379) e investigación científica (B) (números de subvención JP17H02945 y 20H01874).

Informes Científicos

10.1038/s41598-022-10045-x

Conexión clave entre la inestabilidad gravitacional en geles físicos y medios granulares

15-abr-2022

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