Когда пласты песка (а) и гели (б) дестабилизированы, со временем формируются подобные «пальцевые» нестабильности (слева направо). Предоставлено: Токийский столичный университет.

Песок и желе могут выглядеть не очень похожими, но у них схожие физические свойства. Песок состоит из миллиардов зерен твердого материала, который может течь, как жидкость, и забивать трубы, как твердое тело. Такие материалы, как растворы желатина , при высокой температуре текут, как жидкости, но внезапно приобретают твердые свойства при охлаждении. Глядя на микроскопические детали, становится очевидным, что прочность гелей поддерживается сетью полимеров или белков, которые пересекают материал; это похоже на то, как «силовые цепи», сети зерен, толкающих друг друга, создают кажущуюся твердость песка . Это увлекательное сочетание твердого и жидкого поведения образует основу многих природных явлений, таких как лавины и оползни, но до сих пор плохо изучено.

Эти сходства вдохновили доктора Казуя Кобаяси и профессора Рей Куриту из Токийского столичного университета на непосредственное сравнение физических гелей и пластов песка по мере их псевдоожижения. Они наблюдали псевдоожижение тонких слоев песка и желатиновых растворов с помощью высокоскоростных камер. Для песка предварительно сформированные слои зерен в воздухе или воде переворачивали и наблюдали, когда основание начинает выпадать. Для желатина готовили два слоя с разной концентрацией желатина, один поверх другого. Концентрации были выбраны таким образом, чтобы нижний слой полностью псевдоожижался первым. Поскольку материал нагревается снизу, верхний слой дестабилизируется и начинает падать.

Обнаружено, что типичное расстояние между пальцами (а) и скорость отступающего фронта (б) одинаково зависят от толщины псевдоожиженной области как в гелях, так и в песке. Это свидетельствует об общих чертах в их физических механизмах. Предоставлено: Токийский столичный университет.

В обеих системах команда обнаружила нестабильность аппликатуры, когда тонкие пальцы материала падают в материал (или воздух/воду) внизу, напоминая капли дождя, падающие в окно. Со временем между существующими пальцами будут появляться новые, а граница раздела между жидкими и твердыми частями будет отступать. Используя специальную технику визуализации, команда также смогла идентифицировать «флюидизированную» область интерфейса над тем местом, где на самом деле начинаются пальцы. Было обнаружено, что толщина этой области сильно коррелирует с ключевыми параметрами, такими как скорость, с которой фронт отступает, и расстояние между пальцами. Такой вид отношений называется «масштабированием». взаимосвязь и важна в физике для связи явлений, которые вначале могут казаться разными, но могут быть связаны на более глубоком уровне через их механизмы. В данном случае это убедительное свидетельство того, как сходство между материалами, т. е. связность силовой сети, лежит в основе их макроскопического физического поведения.

Благодаря своим обширным экспериментам работа группы дает ценную информацию о том, как гранулированные материалы и гели дестабилизируются под действием силы тяжести, что имеет значение как для явления псевдоожижения в природе, так и для проектирования транспортных систем для гранулированных материалов в промышленных масштабах.