Вчені виявили, що пісок справді може текти вгору

Висновки команди були опубліковані в журналі Nature Communications. Відповідне відео показує, що відбувається, коли крутний момент і сила тяжіння прикладаються до кожної зернини — зернини течуть в гору, вгору по стінах, а також вгору та вниз по сходах.

«Після використання рівнянь, які описують потік гранульованих матеріалів, — говорить Джеймс Гілкріст, професор хімічної та біомолекулярної інженерії Рут Х. і Сема Мадрида в коледжі інженерії та прикладних наук Ліхай PC Rossin і один з авторів статті, — ми змогли остаточно показати, що ці частинки справді рухалися як зернистий матеріал, за винятком того, що вони текли в гору».

Дослідники кажуть, що це вкрай незвичайне відкриття може відкрити багато інших напрямків дослідження, які можуть привести до широкого спектра застосувань, від охорони здоров’я до матеріального транспорту та сільського господарства.

Провідний автор статті, доктор Семюель Вілсон-Вітфорд, колишній науковий співробітник Лабораторії змішування та самоорганізації частинок Гілкріста, випадково зафіксував цей рух під час свого дослідження мікрокапсуляції. Коли він обертав магніт під флаконом з полімерними частинками, покритими оксидом заліза, які називаються мікроролерами, зерна почали збиватися в гору.

Вілсон-Вітфорд і Гілкріст почали вивчати, як матеріал реагує на магніт за різних умов. Коли вони заливали мікроролики, не активуючи їх магнітом, вони текли вниз. Але коли вони застосували крутний момент за допомогою магнітів, кожна частинка почала обертатися, створюючи тимчасові дублети, які швидко формувалися та розпадалися. Результатом, каже Гілкріст, є когезія, яка створює негативний кут природного укосу через негативний коефіцієнт тертя.

«Досі ніхто б не використовував ці терміни», — каже він. «Їх не існувало. Але щоб зрозуміти, як ці зерна течуть вгору, ми розрахували, які напруги змушують їх рухатися в цьому напрямку. Якщо у вас негативний кут природного укосу, то у вас повинна бути згуртованість, щоб дати негативний коефіцієнт тертя. Ці рівняння зернистого потоку ніколи не були отримані для врахування цих речей, але після його обчислення вийшов уявний коефіцієнт тертя, який є від’ємним».

Збільшення магнітної сили збільшує когезію, що надає зернам більше тяги та здатність рухатися швидше. Колективний рух усіх цих зерен і їхня здатність прилипати одна до одної дозволяє купі частинок піску по суті працювати разом, щоб робити нерозумні речі, наприклад, текти вгору по стінах і підійматися сходами. Зараз команда використовує лазерний різак для створення крихітних сходів і знімає відео, як матеріал підіймається з одного боку та спускається з іншого. Один мікроролер не міг подолати висоту кожної сходинки, каже Гілкріст. Але, працюючи разом, вони можуть.

«Ця перша стаття лише зосереджена на тому, як матеріал тече вгору, але наші наступні кілька робіт розглядатимуть застосування, і частина цього дослідження є відповіддю на запитання, чи можуть ці мікроролики долати перешкоди? І відповідь — так».

Потенційні застосування можуть бути дуже різноманітними. Мікроролики можна використовувати для змішування речей, розділення матеріалів або переміщення предметів. Оскільки ці дослідники відкрили новий спосіб думати про те, як частинки, по суті, рояться і працюють колективно, майбутнє використання може бути в мікроробототехніці, яка, своєю чергою, може мати застосування в охороні здоров’я. Гілкріст нещодавно представив статтю, в якій досліджується їх використання в ґрунті як засіб доставлення поживних речовин через пористий матеріал.

«Ми вивчаємо ці частинки до смерті, — каже він, — експериментуємо з різними швидкостями обертання та різною величиною магнітної сили, щоб краще зрозуміти їхній колективний рух. Я в основному знаю назви наступних 14 робіт, які ми збираємося опублікувати.» Джерело