TOKIO, Japón — Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han encontrado similitudes clave entre el comportamiento de los materiales granulares y los geles que se derriten. Descubrieron que los lechos de arena que caen exhiben el mismo mecanismo de desestabilización que la gelatina que se derrite cuando se calienta desde abajo, específicamente cómo los parámetros clave escalan con el grosor del área batida. Sus resultados brindan información importante sobre nuestra comprensión de la desestabilización bajo la gravedad como se ve en avalanchas, deslizamientos de tierra y procesos de transporte industrial.

TOKIO, Japón — Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han encontrado similitudes clave entre el comportamiento de los materiales granulares y los geles que se derriten. Descubrieron que los lechos de arena que caen exhiben el mismo mecanismo de desestabilización que la gelatina que se derrite cuando se calienta desde abajo, específicamente cómo los parámetros clave escalan con el grosor del área batida. Sus resultados brindan información importante sobre nuestra comprensión de la desestabilización bajo la gravedad como se ve en avalanchas, deslizamientos de tierra y procesos de transporte industrial.

Es posible que la arena y la gelatina no se vean muy similares. Pero las cosas cambian cuando nos enfocamos en sus propiedades físicas. La arena se compone de miles de millones de granos sólidos que fluyen como un líquido y pueden obstruir las tuberías como un sólido. Los agentes gelificantes, como las soluciones de gelatina, fluyen como un líquido a alta temperatura, pero de repente asumen propiedades sólidas al enfriarse. Si observamos los detalles microscópicos, vemos que la fuerza de los geles está respaldada por redes de polímeros o proteínas que atraviesan un material; esto es similar a la forma en que las «cadenas de fuerza», redes de granos que se amontonan, producen la aparente solidez de la arena. Esta fascinante combinación de comportamiento sólido y líquido forma la columna vertebral de muchos fenómenos naturales, como avalanchas y deslizamientos de tierra, pero aún no se comprende bien.

Estas similitudes inspiraron al Dr. Kazuya Kobayashi y el profesor Rei Kurita de la Universidad Metropolitana de Tokio para comparar directamente geles físicos y lechos de arena a medida que se licuan. Usando cámaras de alta velocidad, observaron la fluidización de lechos de arena fina y soluciones de gelatina. Para la arena, los lechos de granos preformados se invirtieron en aire o agua y se observó que la base comenzaba a caerse. Para la gelatina, se hicieron dos capas con diferentes concentraciones de gelatina una encima de la otra. Las concentraciones se eligieron de modo que la capa inferior se fluidificara completamente primero. Si el material se calienta desde abajo, la capa superior se desestabilizaría y comenzaría a caer.

En ambos sistemas, el equipo encontró inestabilidades de digitación, donde delgados dedos de material caen en el material (o aire/agua) debajo, como gotas de lluvia que caen por una ventana. Con el tiempo, aparecerían nuevos dedos entre los existentes y la interfaz entre las partes líquidas y sólidas retrocedería. Usando una técnica de imagen especial, el equipo también pudo identificar una región de interfaz ‘licuada’ sobre el comienzo real de los dedos. Se encontró que el grosor de esta región está altamente correlacionado con parámetros clave como la velocidad a la que se retira el frente y la distancia entre los dedos. Este tipo de relación se denomina relación de «escala» y es importante en física para conectar fenómenos que pueden parecer diferentes al principio, pero que pueden estar relacionados a un nivel más profundo a través de sus mecanismos. En este caso, esta es una fuerte evidencia de cómo las similitudes entre los materiales, es decir, la conectividad de una red portadora de fuerzas, subyace a su comportamiento físico macroscópico.

A través de sus extensos experimentos, el trabajo del equipo ofrece información valiosa sobre cómo los materiales granulares y los geles se desestabilizan bajo la gravedad, lo que tiene implicaciones tanto para los fenómenos de fluidización en la naturaleza como para el diseño de sistemas de transporte de materiales granulares a escala industrial.

Este trabajo fue apoyado por JSPS KAKENHI Grants-in-Aid for JSPS Research Fellows (Grant Number 17J03066), Young Scientists (Grant Numbers 19K23428 and 20K14379), and Scientific Research (B) (Grant Numbers JP17H02945 and 20H01874).


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