Смешивать жидкости легко или, по крайней мере, понятно с научной точки зрения: капля пищевого красителя, в конечном итоге, смешивается с водой в стакане путём диффузии, в то время как порцию сливок можно смешать с кофе с помощью ложки путём, так называемого, турбулентного перемешивания.
Но что насчёт материалов, которые обладают свойствами как жидкостей, так и твердых веществ, таких как бетон, краска и песок? Называемые ‘материалами нижнего предела текучести’, эти смеси обладают текучестью жидкости и при этом могут оставаться неподвижными подобно твердым веществам. Понимание того, как эти материалы смешиваются, имеет огромное значение для таких отраслей, как фармацевтика или производство бетона, но в настоящее время мало известно о том, как их лучше смешивать.
Исследователи из школы инженеров и прикладных наук Северо-Западного университета обнаружили, что смешивание ‘материалов нижнего предела текучести’ создает как смешиваемые, так и несмешиваемые области, что является фундаментальным первым шагом в понимании того, как разрабатывать протоколы смешивания. В качестве соавторов исследования выступили Хулио Оттино, Пол Умбанхоар и Ричард Льюптоу.
«Теоретические база потока зернистой материи все еще очень мала», – сказал Оттино, профессор химической и биологической технологии. «Мы обнаружили удивительное сохранение порядка среди хаоса».
Исследователи поставили перед собой вопрос: как гранулированный материал можно смешивать в базовой системе: сферическом стакане. Будет ли материал смешаться, как твердый, методом «резания и перетасовки», подобно колоде карт? Или же он будет смешиваться как вязкая жидкость, вроде меда, посредством процесса «растяжения и складывания»?
Чтобы выяснить это, исследователи наполовину наполнили сферический стакан стеклянными шариками размером 2 мм (используемые в качестве наполнителя при проведении экспериментов). При вращении, они обнаружили, что верхний слой гранул течет, как жидкость, вниз к нижней части сферы, в то время как другие гранулы остаются на месте, как твердое тело.
Затем исследователи попытались смешать шарики, вращая ёмкость вдоль разных осей. Чтобы отследить, насколько хорошо смешиваются гранулы, они поместили частицу-трекер (трассирующую частицу для визуализации течения) размером 4 мм среди гранул и повторяли вращения снова и снова, иногда до 500 раз, при этом делая рентгеновские снимки, которые отображали местонахождение трассирующей частицы.
Несмотря на несколько разных ротационных протоколов, исследование показало, что неизбежно были такие области, которые смешивались, и области, не поддающиеся смешиванию. Это было вызвано взаимодействием между двумя способами смешивания: ‘резанием и перетасовкой’ и ‘растяжением и складыванием’.
«Мы ожидали хаотичности и беспорядочности, но наши результаты показали обратное», – сказал Оттино.
Исследователи надеются провести дальнейшие исследования, чтобы показать, как эту информацию можно применять для разных материалов. «Наше исследование предоставило нам совершенно новый инструмент для понимания того, что смешивается, а что не смешивается», – говорит Умбанхоар. «Эти результаты могут, в конечном счете, использоваться в качестве инструмента разработки».
