Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một khám phá gần đây giải thích một họ mới về sự không ổn định của lực hấp dẫn trong các hạt nhỏ có mật độ khác nhau được điều khiển bởi một cơ chế phân luồng khí không thấy trong chất lỏng. Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy sự mất ổn định giống như Rayleigh – Taylor (RT) trong đó các hạt nhẹ hơn phát triển qua các hạt nặng hơn dưới dạng bong bóng hạt ‘ngón tay’ và ”, tương tự như bong bóng hình thành và nổi lên trong đèn dung nham.
Dòng chảy của các vật liệu dạng hạt, như cát và các hạt xúc tác được sử dụng trong các lò phản ứng hóa học, và cho phép một loạt các hiện tượng tự nhiên, từ lở bùn đến núi lửa, cũng như một loạt các quy trình công nghiệp, từ sản xuất dược phẩm đến thu hồi carbon. Mặc dù chuyển động và pha trộn của chất hạt thường thể hiện sự tương đồng đáng kinh ngạc với chất lỏng, như trong các đụn cát di chuyển, tuyết lở và cát lún, vật lý nằm dưới dòng chảy hạt không được hiểu rõ như dòng chất lỏng.
Bây giờ, một phát hiện gần đây của Chris Boyce, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học tại Columbia Engineering, giải thích một họ mới về sự mất ổn định lực hấp dẫn trong các hạt nhỏ có mật độ khác nhau được điều khiển bởi một cơ chế phân luồng khí không thấy trong chất lỏng. Phối hợp với nhóm Giáo sư Khoa học Kỹ thuật và Năng lượng Christoph Müller tại ETH Zurich, nhóm của Boyce đã quan sát thấy sự bất ổn giống như Rayleigh-Taylor (RT) trong đó các hạt nhẹ hơn nổi lên qua các hạt nặng hơn dưới dạng “ngón tay” và “bong bóng hạt”. Sự không ổn định RT, được tạo ra bởi sự tương tác của hai chất lỏng có mật độ khác nhau không trộn lẫn – dầu và nước, chẳng hạn – bởi vì chất lỏng nhẹ hơn đẩy sang một chất nặng hơn, không được nhìn thấy giữa hai vật liệu dạng hạt khô.
Nghiên cứu, được công bố hôm nay trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia , là nghiên cứu đầu tiên chứng minh rằng “bong bóng” ở dạng cát nhẹ hơn và nổi lên trên cát nặng hơn khi hai loại cát này chịu rung động thẳng đứng và dòng khí đi lên, tương tự đến các bong bóng hình thành và nổi lên trong đèn dung nham. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, giống như bong bóng không khí và dầu nổi lên trong nước vì chúng nhẹ hơn nước và không muốn trộn với nó, bong bóng cát nhẹ nổi lên qua cát nặng hơn mặc dù hai loại cát muốn trộn.
“Chúng tôi nghĩ rằng khám phá của chúng tôi là biến đổi”, Boyce nói, “Chúng tôi đã tìm thấy một chất tương tự dạng hạt của một trong những bất ổn cơ học chất lỏng cuối cùng. Những phát hiện của chúng tôi không chỉ giải thích sự hình thành và quá trình địa chất làm nền tảng cho khoáng sản, mà còn có thể được sử dụng trong các công nghệ chế biến bột trong ngành công nghiệp năng lượng, xây dựng và dược phẩm. “
Nhóm của Boyce đã sử dụng mô hình thử nghiệm và tính toán để chỉ ra rằng việc truyền khí qua các hạt nhẹ hơn sẽ kích hoạt sự hình thành các mô hình ngón tay và bong bóng. Sự phân luồng khí xảy ra do các cụm hạt nhẹ hơn, lớn hơn có độ thấm khí cao hơn so với các hạt nặng hơn, nhỏ hơn. Sự không ổn định giống như RT trong vật liệu dạng hạt phát sinh từ sự cạnh tranh giữa lực kéo lên tăng cục bộ bằng cách truyền khí và lực tiếp xúc xuống, một cơ chế vật lý hoàn toàn khác với chất lỏng được tìm thấy trong chất lỏng.
Họ phát hiện ra rằng cơ chế phân kênh khí này cũng tạo ra sự mất ổn định hấp dẫn khác, bao gồm sự phân nhánh theo tầng của một giọt hạt giảm dần. Họ cũng chứng minh rằng sự mất ổn định giống như RT có thể xảy ra trong nhiều điều kiện dòng khí và rung động khác nhau, tạo thành các cấu trúc khác nhau trong các điều kiện kích thích khác nhau.
“Những bất ổn này, có thể được áp dụng cho nhiều hệ thống khác nhau, đã làm sáng tỏ thêm động lực học hạt và gợi ý những cơ hội mới để tạo ra các hỗn hợp dạng hạt để tạo thành các sản phẩm mới trong ngành dược phẩm,” Boyce nói thêm. “Chúng tôi đặc biệt vui mừng về tác động tiềm tàng của những phát hiện của chúng tôi đối với khoa học địa chất – những bất ổn này có thể giúp chúng tôi hiểu cách các cấu trúc hình thành trong lịch sử lâu dài của Trái đất và dự đoán những người khác có thể hình thành như thế nào trong tương lai.”
Boyce hiện đang nghiên cứu các hiện tượng giống như chất lỏng và có cấu trúc khác trong các hạt cát và định lượng hành vi của chúng. Ông cũng đang trò chuyện với các nhà địa chất và núi lửa để khám phá thêm về quá trình này và quá trình tương tự xảy ra trong thế giới tự nhiên.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Trường Đại học Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Columbia . Bản gốc được viết bởi Holly Evarts. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :