การกระตุกของแก๊สทำให้อนุภาคของแข็งที่มีความหนา เว็บสล็อต แน่นต่างกันเคลื่อนตัวราวกับน้ำหรือน้ำมัน ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ทรายสามารถไหลได้ เมื่อวางเมล็ดธัญพืชที่หนักกว่าไว้บนเมล็ดธัญพืชที่เบากว่าในภาชนะ เมล็ดที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าก็สามารถระเบิดขึ้นได้เหมือนกับหยดของตะเกียงลาวา
งานวิจัยนี้เป็นงานวิจัยชิ้นแรกที่แสดงให้เห็นว่าการผสมเม็ดทรายสามารถเลียนแบบการไหลของของเหลวได้อย่างไร
นักวิจัยรายงานออนไลน์ในวันที่ 22 เมษายนใน Proceedings of the National Academy of Sciencesถึงแม้ว่าอนุภาคที่เป็นเม็ดเล็กๆ เช่น ทรายหรือโคลนจะมีพฤติกรรมเหมือนของเหลว
การทำความเข้าใจกองกำลังเหล่านั้นสามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์อธิบายพฤติกรรมของดินถล่มหรือส่วนผสมของก๊าซร้อนและหินที่เรียกว่า pyroclastic flow จากภูเขาไฟได้ดีขึ้น การวิจัยยังสามารถเป็นแนวทางในการออกแบบเทคโนโลยีใหม่สำหรับการดักจับคาร์บอนจากบรรยากาศหรือการผลิตยา
นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าทรายหรืออนุภาคของแข็งอื่นๆ สามารถทำตัวเหมือนของเหลวได้ภายใต้สภาวะบางอย่าง การสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหวที่รุนแรง เช่น สามารถทำให้ทรายแข็งกลายเป็นของเหลวได้เมื่อถูกน้ำอิ่มตัว ไม่เข้าใจวิธีการผสมวัสดุที่เป็นเม็ดเล็ก ๆ ตั้งแต่ผงสำหรับยารักษาโรคไปจนถึงเม็ดบีดที่ดึงดูดคาร์บอนไดออกไซด์ในกรณีที่ไม่มีน้ำ
เมื่ออนุภาคเม็ดเล็กๆ แห้งที่มีขนาดและความหนาแน่นต่างกันเคลื่อนตัวไปมา พวกมันมักจะแยกตัวออกจากกัน หรือ “แยกตัวออกจากกัน” Richard Lueptow วิศวกรเครื่องกลจาก Northwestern University ใน Evanston รัฐอิลลินอยส์ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาใหม่นี้ กล่าว “สิ่งนี้สามารถสร้างปัญหามหาศาลในการสร้างส่วนผสมที่สม่ำเสมอของอนุภาคในอุตสาหกรรมยา เคมี และการแปรรูปอาหาร”
ทีมวิจัยที่นำโดยวิศวกรเครื่องกล Christopher McLaren จาก ETH Zurich ได้วางอนุภาคทรงกลมสองประเภทไว้ในห้องกระจกบาง ๆ ได้แก่ ชั้นของอนุภาคที่หนักกว่านั่งอยู่บนชั้นของอนุภาคที่เบากว่า เพื่อให้เมล็ดพืชเคลื่อนที่ ทีมงานได้เขย่าห้องและส่งก๊าซขึ้นไปข้างบน อนุภาค “ไหล” รอบ ๆ กันเหมือนของเหลวที่มีความหนาแน่นต่างกันโดยมีฟองอากาศหรืออนุภาคที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าที่ลอยขึ้นสู่พื้นผิว
ในพลศาสตร์ของไหล รูปแบบที่เกิดขึ้นเป็นของเหลวที่เบากว่าผลักเข้าไปในของเหลวที่มีความหนาแน่นมากขึ้นนั้นอธิบายโดยปรากฏการณ์ที่เรียกว่าความไม่เสถียรของ Rayleigh-Taylor เช่นการระเบิดของขี้ผึ้งร้อนที่เพิ่มขึ้นในตะเกียงลาวา งานวิจัยชิ้นใหม่นี้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าเมล็ดพืชแห้งสามารถจำลองความไม่เสถียรได้
การค้นพบนั้นน่าประหลาดใจเพราะความไม่เสถียรในของเหลวประเภทนี้เกี่ยวข้องกับความจริงที่ว่าของเหลวนั้นไม่สามารถผสมเข้าด้วยกันได้จริง นั่นไม่ใช่กรณีของเมล็ดธัญพืชที่สามารถผสมได้อย่างสมบูรณ์ แต่ยังไม่สามารถผสมได้
คริสโตเฟอร์ บอยซ์ ผู้ร่วมวิจัยด้านการศึกษา
วิศวกรเคมีแห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบียกล่าวว่า “เราตระหนักว่ามีกลไกทางกายภาพที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ซึ่งเราจำเป็นต้องเข้าไปถึงจุดต่ำสุด”
การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของการผสมธัญพืชเผยให้เห็นว่าการไหลของก๊าซและการสั่นสะเทือนควบคุมการเคลื่อนที่ของเมล็ดพืช เมื่อก๊าซไหลผ่านห้องเพาะเลี้ยง มันจะไหลผ่านต่างกันระหว่างเมล็ดพืชที่มีขนาดและความหนาแน่นต่างกัน ทำให้เกิดการลากขึ้นเพื่อช่วยให้อนุภาคที่เบากว่าจับตัวเป็นก้อน ซึ่งป้องกันไม่ให้อนุภาคผสมกัน โดยจำลองลักษณะการทำงานของของไหลที่เข้ากันไม่ได้ เช่น น้ำมันและน้ำ ทีมวิจัยพบว่าการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลของก๊าซหรือความรุนแรงของการสั่นสะเทือนทำให้เกิดรูปร่างที่แตกต่างกัน เช่น นิ้วของอนุภาคที่ใหญ่ขึ้นหรือหยดที่ใหญ่กว่าซึ่งลอยผ่านห้องเพาะเลี้ยง เมล็ดพืชต้องใช้ทั้งก๊าซและการสั่นสะเทือนเพื่อเลียนแบบรูปแบบของความไม่เสถียรของของเหลว
เมื่อนักวิจัยวางหยดอนุภาคหนักลงในชั้นของอนุภาคที่เบากว่า ก็เกิดรูปแบบที่แตกต่างออกไป ธัญพืชมีลักษณะเหมือนของเหลวที่สามารถผสมได้ เช่น สีย้อมสีแดงในน้ำ อนุภาคหนักแยกออกเป็นสองหยดที่ตกลงผ่านชั้นอนุภาคที่เบากว่าเป็นมุมหนึ่งก่อนที่จะแยกออกอีกครั้งและอีกครั้งในรูปแบบการแตกแขนง นักวิจัยพบว่ารูปแบบดังกล่าวเป็นผลมาจากก๊าซที่ไหลผ่านเมล็ดพืช
การศึกษาก่อนหน้านี้โดยใช้การสั่นสะเทือนเพียงอย่างเดียวได้สังเกตว่าอนุภาคที่มีขนาดต่างกันเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ กันในลักษณะของไหล ดังนั้นอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดจึงไปอยู่ด้านบน Paul Umbanhowar วิศวกรเครื่องกลจาก Northwestern University ที่ไม่เกี่ยวข้องกับงานใหม่กล่าว
ปรากฏการณ์นั้นเรียกว่า”ผลกระทบของถั่วบราซิล” คิดว่าเป็นผลมาจากอนุภาคขนาดเล็กเลื่อนลงมาระหว่างเม็ดใหญ่ระหว่างการเขย่าและปล่อยให้เมล็ดธัญพืชที่ใหญ่กว่าอยู่ด้านบน เช่น ถั่วบราซิลในกระป๋องผสมถั่ว ( SN: 10/4/14, p. 4 ) แต่ด้วยการผสมผสานการไหลของก๊าซ การศึกษานี้ให้ผลลัพธ์ที่ “ชวนให้นึกถึงพฤติกรรมของของเหลวทั่วไป” Umbanhowar กล่าว เว็บสล็อต
