Observe cómo la arena desafía la gravedad y fluye hacia arriba gracias a la 'fricción negativa'

Rara vez hay tiempo para escribir sobre cada gran historia científica que se nos presenta. Por eso, este año, una vez más publicamos una serie de publicaciones especiales «Los doce días de Navidad», destacando una historia científica que pasó desapercibida en 2023, todos los días desde el 25 de diciembre hasta el 5 de enero. Hoy: Cómo aplicar fuerzas magnéticas a un individuo “Las partículas 'microcilindros' estimulan el movimiento colectivo, produciendo algunos resultados altamente contrarios a la intuición.

Intuitivamente entendemos que la arena que fluye a través de un reloj de arena, por ejemplo, forma una ordenada pila, aproximadamente en forma de pirámide, en la parte inferior, con gránulos cerca de la superficie que fluyen sobre un lecho de partículas estables. Las avalanchas y las dunas de arena muestran una dinámica similar. Pero los científicos de la Universidad Lehigh en Pensilvania han descubierto que la aplicación de un par magnético en realidad puede hacer que partículas similares a la arena fluyan en masa hacia arriba en aparente desafío a la gravedad, según un nuevo estudio. periódico de septiembre Publicado en Comunicaciones de la naturaleza.

La arena es un material muy fascinante desde el punto de vista de la física. Es un ejemplo de material granular, ya que actúa como líquido y sólido. La arena seca recogida se vierte en un cubo como un líquido, pero puede soportar el peso de una roca colocada encima, como un sólido, aunque la roca sea técnicamente más densa que la arena. Entonces, la arena desafía todas esas ecuaciones complejas que describen las diferentes fases de la materia, y la transformación de “líquido” fluido a “sólido” ocurre muy rápidamente. Es como si los gránulos funcionaran como individuos en forma líquida, pero pudieran unirse repentinamente cuando se necesita solidaridad, logrando un extraño tipo de efecto de «fuerza en los números».

Los físicos no pueden predecir con precisión la aparición de una avalancha. Esto se debe en parte a la enorme cantidad de granos de arena en una pequeña pila, cada uno de los cuales interactuará con muchos granos inmediatamente adyacentes a la vez, y esos granos adyacentes se desplazan de un momento a otro. Ni siquiera una supercomputadora puede rastrear los movimientos de los granos individuales a lo largo del tiempo, por lo que la física del flujo en medios granulares sigue siendo un área vital de investigación.

¿Pero granos de arena que fluyen en masa hacia arriba? Este es un comportamiento simplemente extraño. El ingeniero James Gilchrist de la Universidad de Lehigh dirige el Laboratorio de Autoorganización y Mezcla de Partículas y se topó con este extraño fenómeno mientras experimentaba con “microrrodillos”: partículas de polímero recubiertas con óxido de hierro (un proceso llamado microencapsulación). Un día estaba haciendo girar un imán debajo de un matraz con cilindros microscópicos y notó que comenzaban a acumularse hacia arriba. Naturalmente, él y sus colegas investigaron más a fondo.

Para sus experimentos, Gilchrist et al. Se colocaron imanes de neodimio en una rueda motorizada a intervalos de 90 grados, alternando entre los polos orientados hacia afuera. El dispositivo también incluye un soporte para muestras y un microscopio USB de posición fija. Las microesferas se prepararon suspendiendolas en un vial de vidrio que contenía etanol y usando un imán para separarlas del polvo o de cualquier partícula sin recubrimiento. Una vez que los minicilindros están limpios, se secan, se resuspenden en etanol nuevo y se cargan en un soporte de muestra. Un motor vibratorio agitó las muestras para producir capas granulares planas y se operó la rueda motorizada para aplicar un par magnético. La escala de Gauss mide la fuerza de un campo magnético en relación con la dirección.

Resultados: Cada pequeño cilindro comenzó a girar en respuesta al par magnético, creando pares que se formaron brevemente y luego se dividieron, y el aumento de la fuerza magnética aumentó la cohesión de las partículas. Esto, a su vez, dio a los rodillos más pequeños una mayor tracción y les permitió moverse más rápidamente, actuando en conjunto para fluir de manera impredecible hacia arriba. En ausencia de este momento magnético, las pequeñas poleas fluían pendiente abajo de forma natural. La acción provocada por el par era tan impredecible que los investigadores acuñaron un nuevo término para describirla: “ángulo de reposo negativo” resultante de un coeficiente de fricción negativo.

«Hasta ahora, nadie usaría esos términos». Gilchrist dijo. «No estaban allí. Pero para entender cómo estos gránulos fluyen hacia arriba, calculamos las presiones que los hacen moverse en esa dirección. Si tienes un ángulo de reposo negativo, debes tener cohesión para dar un coeficiente de fricción negativo. Estas ecuaciones de flujo granular nunca se derivaron para observar estas cosas, pero después de calcularlas, lo que resultó es un coeficiente de fricción aparentemente negativo.

Es una prueba de principio interesante que algún día podría conducir a nuevas formas de controlar cómo se mezclan o separan los materiales, así como a posibles aplicaciones de microrrobótica. Los científicos ya han comenzado a construir pequeñas escaleras utilizando cortadores láser y filmando las diminutas poleas mientras suben y bajan por la otra. Un pequeño rodillo no puede superar la altura de cada escalón, pero varias personas trabajando en colaboración sí pueden, según Gilchrist.

DOI: Comunicaciones de la naturaleza, 2023. 10.1038/s41467-023-41327-1 (Acerca de las identificaciones digitales).

Imagen de listado de la Universidad de Lehigh