A través de un experimento, un equipo de científicos del Instituto Tecnológico del Zurich (ETH) y la Universidad de Columbia, ha descubierto una nueva familia de inestabilidades gravitacionales en partículas granulares –dos tipos diferentes de arena–  impulsados por un mecanismo de canalización gaseosa nunca visto hasta ahora.

Lo que observaron los investigadores fue cómo bajo una configuración específica, se formaron burbujas de arena que se movían dentro de otro tipo de arena, de modo similar a como la hace el aceite en el agua.

Mezclando arena

El experimento consistió en colocar un par de arenas, una arena blanca “pesada” sobre una arena negra, de granos un poco más grandes pero más livianos, en un contenedor rectangular transparente.

Las burbujas ascendentes y descendentes dentro de una lámpara de lava constituyen un buen ejemplo del comportamiento de dos fluidos de diferente densidad.

Una máquina sacudió el contenedor hacia arriba y hacia abajo, mientras fluía el aire hacia arriba a través de la arena. Los investigadores observaron cómo se formaron “dedos” y burbujas granulares compuestas de arena negra más ligera, la cual fluía de modo ascendente a través de los granos blancos.

El resultado se parecía mucho a una inestabilidad de Rayleigh-Taylor, un comportamiento que se produce cuando interactúan dos líquidos de diferentes densidades, como el agua y el aceite.

Excepto que en este caso no se trata de agua y aceite, sino de dos tipos de arena, lo que expresan los autores, hace que la investigación sea emocionante: al agua y al aceite no les gusta mezclarse, pero a estas arenas no les importa mezclarse.

Burbujas excepcionales

En este caso, las simulaciones computacionales demostraron que el gas fluye preferentemente a través de las partículas más ligeras, y combinado con las vibraciones, comienza a empujar hacia arriba en forma de onda.

Los investigadores observaron cómo se formaron burbujas entre dos tipos de arenas de modo similar a la interacción del agua con aceite.

Las fuerzas ascendente de las partículas ligeras y gas, combinadas con las fuerzas descendente de la arena más pesada, hacen que estas ondas se conviertan en “dedos” y luego se conviertan en burbujas de arena, no de gas.

Los autores del experimento puntualizan que, a pesar de que parece algo simple, esta es la primera vez que se demuestra la formación de burbujas en la interfaz entre un par de sólidos granulares.

Si bien esto puede sonar como una configuración altamente específica que no ocurriría en el mundo real, en entornos industriales se utiliza el soplado con gases en un par de diferentes materiales granulares, para mezclar químicos destinados a reaccionar entre sí.

Adicionalmente, señalan los investigadores, estas observaciones podrían tener implicaciones directas es otras áreas incluyendo la construcción, la elaboración de productos farmacéuticos, e incluso, la generación de energías alternativas.

Referencia: Gravitational instabilities in binary granular materials. PNAS, 2019. https://doi.org/10.1073/pnas.1820820116