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Jun 05, 2023

O que a geleia e a areia têm em comum?

Mecanismo de desestabilização comum encontrado para grãos e géis sob gravidade Imagem da Universidade Metropolitana de Tóquio: Quando leitos de areia (a) e géis (b) são desestabilizados, instabilidades de “dedilhado” semelhantes são

Mecanismo comum de desestabilização encontrado para grãos e géis sob gravidade

Universidade Metropolitana de Tóquio

imagem: Quando os leitos de areia (a) e os géis (b) são desestabilizados, instabilidades semelhantes de “dedilhado” são vistas se formando ao longo do tempo (da esquerda para a direita).Veja mais

Crédito: Universidade Metropolitana de Tóquio

Tóquio, Japão – Pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio identificaram semelhanças importantes entre o comportamento de materiais granulares e géis de fusão. Eles descobriram que os leitos de areia em queda compartilham o mesmo mecanismo de desestabilização que a gelatina derretida, à medida que é aquecida por baixo, particularmente como os parâmetros-chave aumentam com a espessura da região fluidizada. As suas descobertas fornecem avanços importantes na nossa compreensão da desestabilização sob a gravidade, como vista em avalanches, deslizamentos de terra e processos de transporte industrial.

Areia e geleia podem não ser muito parecidas. Mas as coisas mudam quando nos concentramos nas suas propriedades físicas. A areia é composta de bilhões de grãos de material sólido, que podem vazar como um líquido e entupir canos como um sólido. Materiais gelificantes, como soluções de gelatina, fluem como um líquido em alta temperatura, mas repentinamente adquirem propriedades de sólido quando resfriados. Observando os detalhes microscópicos, vemos que a solidez dos géis é sustentada por redes de polímeros ou proteínas que cruzam um material; isto é semelhante a como as “cadeias de força”, redes de grãos que se empurram uns contra os outros, dão origem à aparente solidez da areia. Esta fascinante junção de comportamento sólido e líquido constitui a espinha dorsal de muitos fenômenos naturais, como avalanches e deslizamentos de terra, mas ainda é pouco compreendida.

Essas semelhanças inspiraram o Dr. Kazuya Kobayashi e o professor Rei Kurita, da Universidade Metropolitana de Tóquio, a comparar diretamente os géis físicos e os leitos de areia à medida que fluidizam. Eles observaram a fluidização de finas camadas de soluções de areia e gelatina usando câmeras de alta velocidade. Para a areia, camadas pré-formadas de grãos no ar ou na água foram invertidas e observadas à medida que a base começava a cair. Para a gelatina foram preparadas duas camadas com diferentes concentrações de gelatina, uma em cima da outra. As concentrações foram escolhidas de modo que a camada inferior fluidizasse completamente primeiro. À medida que o material é aquecido por baixo, a camada superior desestabiliza-se e começa a cair.

Em ambos os sistemas, a equipe encontrou instabilidades nos dedos, onde dedos finos de material caem no material (ou ar/água) abaixo, lembrando gotas de chuva caindo por uma janela. Com o tempo, novos dedos apareceriam entre os existentes, e a interface entre as partes líquidas e sólidas diminuiria. Usando uma técnica especial de imagem, a equipe também conseguiu identificar uma região de interface “fluidizada” acima de onde os dedos realmente começam. Descobriu-se que a espessura desta região está fortemente correlacionada com parâmetros-chave como a velocidade com que a frente recua e a distância entre os dedos. Este tipo de relação é chamada de relação de “escala” e é importante na física para conectar fenômenos que podem parecer diferentes inicialmente, mas podem estar relacionados em um nível mais profundo através de seus mecanismos. Neste caso, isto é uma forte evidência de como as semelhanças entre os materiais, ou seja, a conectividade de uma rede portadora de força, estão subjacentes ao seu comportamento físico macroscópico.

Através de seus extensos experimentos, o trabalho da equipe oferece insights valiosos sobre como materiais granulares e géis se desestabilizam sob a gravidade, com implicações tanto para fenômenos de fluidização na natureza quanto para o projeto de sistemas de transporte para materiais granulares em escala industrial.

Este trabalho foi apoiado por JSPS KAKENHI Grants-in-Aid para JSPS Research Fellows (número de concessão 17J03066), jovens cientistas (números de concessão 19K23428 e 20K14379) e pesquisa científica (B) (números de concessão JP17H02945 e 20H01874).

Relatórios Científicos

10.1038/s41598-022-10045-x