Американские ученые обнаружили удивительное сходство физических свойств сыпучих веществ с жидкостями. Помимо неустойчивости и стремления больших объемов сыпучих веществ образовывать более-менее ровную поверхность, струи песка, состоящего из маленьких гранул, могут, как и вода, образовывать макроскопические образования – «капли». Известно, что неустойчивость течения струи жидкости, ведущая к фрагментации потока на отдельные капли, возникает из-за сил поверхностного натяжения, которые не могут возникнуть в сыпучих веществах.
Процесс образования песочной «капели» пронаблюдали ученые Чикагского университета при помощи высокоскоростной камеры. Чтобы исследовать процессы эволюции струи песка, состоящего из стеклянных гранул диаметром порядка 100 микрометров, исследователи под руководством аспиранта Джона Ройер заставили камеру скользить вдоль струи песка с ускорением свободного падения внутри трубы, внутри которой было низкое давление воздуха.
Опыт показал, что по мере течения струи ее диаметр уменьшается, а начальные неоднородности начинают расти. Затем струя делится на кластеры, между которыми остаются тонкие перегородки толщиной в несколько гранул. После разрываются и эти «мостки», и струя превращается в поток отдельных кластеров.
Причинами, которые могли заставлять гранулы объединяться в кластеры, ученые называли гидродинамическое взаимодействие песчинок с обтекающим их воздухом, неупругие столкновения и силы трения. Влияние газа ученые исключили, проведя аналогичные опыты в трубе с воздухом, картина изменения струи не менялась. Чтобы проверить влияние упругости соударения гранул на процесс образования кластером, ученые заменили стеклянные сферические гранулы на медные, такого же размера.
В отличие от стеклянных шариков, сталкивающихся почти абсолютно упруго, медные при столкновении теряют порядка 10% своей кинетической энергии. Как считали ученые, неупругость столкновений должна помогать образованию кластеров, однако оказалось, что медные гранулы быстро рассеивались и вообще не сливались в «капли».
Наносилы
Из причин, удерживающих гранулы друг с другом, остались слабые силы межмолекулярного взаимодействия (Ван-дер-Ваальса). Чтобы оценить их величину, ученые следили за кластерами до тех пор, пока набегающий поток воздуха не начинал отрывать от кластеров отдельные гранулы. Оказалось, что отдельные гранулы притягиваются к остальным с силами порядка наноНьютонов.
Для оценки сил, удерживающих гранулы друг с другом, ученые использовали атомно-силовой микроскоп. Оказалось, что возникающие между гранулами силы тем больше, чем более гладкими поверхностями они соприкасаются.
«Данные с микроскопа удивили нас, продемонстрировав, что небольшие изменения в этих взаимодействиях могут повлиять на разрушение всей струи, и отвечать за образование капель», — пояснил Джон Ройер.
Ученые считают, что полученные сведения о характере течения гранулированных веществ можно использовать в фармакологии при изготовлении, например таблеток. «Расчеты показывают, что до 60% мощности многих подобных заводов расходуется на организацию транспорта веществ», — добавил он. Работа чикагских ученых опубликована в журнале Nature.