Priviți cum nisipul sfidează gravitația și curge în sus datorită „frecării negative”

În a doua zi de Crăciun –

Aplicarea forțelor magnetice asupra particulelor unice acoperite cu oxid de fier stimulează o mișcare colectivă ciudată.

Rareori avem timp să scriem despre fiecare poveste științifică cool care ne iese în cale. Așadar, în acest an, difuzăm din nou o serie specială de postări Douăsprezece zile de Crăciun, evidențiind o poveste științifică care a căzut printre crăpături în 2023, în fiecare zi, între 25 decembrie și 5 ianuarie. Astăzi: cum se aplică forțele magnetice la individ ” particulele de micro-role” stimulează mișcarea colectivă, producând niște rezultate destul de contra-intuitive.

Înțelegem intuitiv că nisipul care se revarsă printr-o clepsidră, de exemplu, formează o grămadă îngrijită, aproximativ în formă de piramidă, în partea de jos, în care boabele de lângă suprafață curg peste o bază subiacentă de particule staționare. Avalanșe și dunele de nisip prezintă o dinamică similară. Dar oamenii de știință de la Universitatea Lehigh din Pennsylvania au descoperit că aplicarea unui cuplu magnetic poate determina de fapt particule asemănătoare nisipului să curgă colectiv în sus, în aparentă sfidare a gravitației, potrivit unui studiu. Hârtia de septembrie publicat în revista Nature Communications.

Nisipul este ceva destul de fascinant din punct de vedere al fizicii. Este un exemplu de material granular, deoarece acționează atât ca un lichid, cât și ca un solid. Nisipul uscat adunat într-o găleată se revarsă ca un fluid, dar poate suporta greutatea unei pietre așezate deasupra, ca un solid, chiar dacă roca este din punct de vedere tehnic mai dens decât nisipul. Deci nisipul sfidează toate acele ecuații ordonate care descriu diferite faze ale materiei, iar tranziția de la „lichid” curgător la un „solid” rigid are loc destul de rapid. Este ca și cum boabele acționează ca indivizi sub formă fluidă, dar sunt capabile să se unească brusc împreună atunci când este nevoie de solidaritate, obținând un fel ciudat de efect de „putere în cifre”.

Nici fizicienii nu pot prezice cu exactitate o avalanșă. Acest lucru se datorează, parțial, numărului mare de boabe de nisip, chiar și într-o grămadă mică, fiecare dintre acestea va interacționa simultan cu mai multe dintre boabele învecinate imediate – iar acei vecini se schimbă de la un moment la altul. Nici măcar un supercomputer nu poate urmări mișcările boabelor individuale în timp, așa că fizica fluxului în medii granulare rămâne un domeniu vital de cercetare.

Dar boabe de nisip care curg colectiv în sus? Acesta este pur și simplu un comportament bizar. Inginerul de la Universitatea Lehigh, James Gilchrist, conduce Laboratorul pentru amestecarea particulelor și auto-organizare și a dat peste acest fenomen ciudat în timp ce experimenta cu „micro-role”: particule de polimer acoperite cu oxid de fier (un proces numit micro-încapsulare). Într-o zi, învârtea un magnet sub o fiolă de micro-role și a observat că au început să se adune în sus. Bineînțeles, el și colegii săi au trebuit să investigheze în continuare.

Pentru experimentele lor, Gilchrist et al. magneți de neodim atașați la o roată motorizată la intervale de 90 de grade, alternând polii orientați spre exterior. Aparatul includea, de asemenea, un suport de probă și un microscop USB într-o poziție fixă. Micro-rolele au fost pregătite prin suspendarea lor într-un flacon de sticlă care conține etanol și folosind un magnet pentru a le separa de praf sau orice particule neacoperite. Odată ce micro-rolele au fost curățate, acestea au fost uscate, suspendate în etanol proaspăt și încărcate pe suportul pentru probă. Un motor vibrant a agitat probele pentru a produce paturi granulare aplatizate, iar roata motorizată a fost pusă în mișcare pentru a aplica un cuplu magnetic. Un gaussmetru a măsurat intensitatea câmpului magnetic în raport cu orientarea.

Rezultate: fiecare micro-rolă a început să se rotească ca răspuns la cuplul magnetic, creând perechi care s-au format pentru scurt timp și apoi s-au despărțit, iar creșterea forței magnetice a crescut coeziunea particulelor. Aceasta, la rândul său, a oferit micro-rolelor mai multă tracțiune și le-a permis să se miște mai rapid, lucrând în mod concertat pentru a curge contraintuitiv în sus. În absența acelui cuplu magnetic, miro-rolele curgeau normal în jos. Acțiunea indusă de cuplu a fost atât de neașteptată încât cercetătorii au inventat un nou termen pentru a o descrie: un „unghi negativ de repaus” cauzat de un coeficient negativ de frecare.

„Până acum, nimeni nu ar fi folosit acești termeni.” spuse Gilchrist. „Nu au existat. Dar pentru a înțelege cum curg aceste boabe în sus, am calculat care sunt tensiunile care le fac să se miște în acea direcție. Dacă aveți un unghi negativ de repaus, atunci trebuie să aveți coeziune pentru a da un coeficient de frecare negativ. Aceste ecuații de curgere granulare nu au fost niciodată derivate pentru a lua în considerare aceste lucruri, dar după ce le-am calculat, ceea ce a ieșit este un coeficient aparent de frecare care este negativ.”

Este o dovadă intrigantă de principiu care ar putea duce într-o zi la noi modalități de a controla modul în care substanțele se amestecă sau se separă, precum și la potențialele aplicații de microrobotică. Oamenii de știință au început deja să construiască scări mici cu tăietoare cu laser și să înregistreze video micro-rolele care urcau și coborau pe cealaltă. Un micro-rolă nu poate depăși înălțimea fiecărei trepte, dar mulți care lucrează colectiv pot face acest lucru, conform lui Gilchrist.

DOI: Nature Communications, 2023. 10.1038/s41467-023-41327-1 (Despre DOI).

Imagine de listare de către Universitatea Lehigh