Pri mešanju zrnate snovi, da se med motnjo

Evolucijske poti in prenašanje genov | Tadej Kotnik | TEDxLjubljana (Julij 2019).

Anonim

Mešanje tekočin je enostavno ali vsaj znanstveno razumljivo: kapljica obarvanosti hrane se sčasoma zmeša v skodelico vode z difuzijo, kozarec pa lahko mešamo v kavo z žlico skozi tisto, kar se imenuje turbulentno mešanje.

Kaj pa, če ima material lastnosti tekočin in trdnih snovi, kar velja za materiale, kot so beton, barve in pesek? Te vrste zmesi, ki jih imenujemo stresni materiali, lahko tečejo kot tekočine in ostanejo kot trdne snovi.

Razumevanje, kako te mešanice materiala vplivajo na industrijo, kot so farmacevtski izdelki in betonska proizvodnja, malo pa je še vedno znano, kako jih najbolje zmešati.

V novem članku v Nature Communications Northwestern Engineering profesorji ugotavljajo, da mešani donosni stresni materiali ustvarjajo mešane in ne-mešane regije, kar zagotavlja temeljni začetek razumevanja, kako najbolje oblikovati mešalne protokole. Julio M. Ottino, Paul Umbanhowar in Richard Lueptow sta služila kot soavtorica.

"Teoretični temelji pretoka zrnatih snovi so še vedno zelo nepopolni, " je dejal Ottino, profesor kemijskega in biološkega inženirstva Walter P. Murphy. "Ugotovili smo izjemno vztrajanje reda med kaosom."

Vprašanje je, kako lahko dobro zrnato gradivo v osnovnem sistemu pomešamo: kroglasto mešalko. Bi se materialna mešanica, kot trdna, z metodo "rezanje in mešanje" podobna krovu kartic? Ali bi se mešal kot viskozno tekočino, kot medu, skozi "raztezanje in zlaganje" vzorec?

Za preizkušanje te ideje so raziskovalci napolnili sferično mešalico z 2 milimetrsko stekleno kroglico. Ko se je zasukalo, je zgornji sloj kroglic tekel kot tekočina navzdol do dna krogle, medtem ko so ostale kroglice ostajale na mestu, kot trdna snov.

Toda raziskovalci so mešali kroglice tako, da so obračali mešalko po različnih oseh. Da bi ugotovili, kako dobro se zmešajo kroglice, so postavili 4-milimetrski sledilni delček v notranjost in nato sprožili vrtenje večkrat in več, včasih do 500-krat, in vzel rentgenske slike krogle, da bi videli, kje je sledilni delec končal.

Kljub poskusu več različnih rotacijskih protokolov so raziskovalci ugotovili, da so regije, ki so se mešale, in regije, ki se niso mešale, neizogibno. To je bilo posledica medsebojnega vplivanja med dvema metodama mešanja, rezanjem in premešanjem ter raztezanjem in zlaganjem.

"Čeprav se material pogosto premika v klinastih oblikah pri tem rezanju in premešanju, se vsi ti klini gibajo skupaj, " je povedal Umbanhowar, raziskovalni profesor za strojništvo. "Obstajajo regije, ki se nikoli ne mešajo."

Razumevanje tega koncepta lahko privede do vpogledov na zanimivih in nepričakovanih mestih, kot je španska božična loterija, kjer se v eni sferi spustijo 100.000 majhnih lesenih kroglic z enotnimi številkami kart, v drugi pa padajo 1.807 kroglic, označenih z nagradami. Med risbo se iz vsake krogle pobere ena nagradna krogla in ena ustrezna številka vozovnice, dokler krogla nagradne krogle ni prazna. Ampak, če v mešalniku so regije, ki so mešane, in regije, ki niso, se prvotna postavitev kroglice v mešalniku postane pretežen dejavnik pri tem, ali bo izbrana.

"Pričakujemo naključnost, vendar naši rezultati kažejo, da to ni tako, " je dejal Ottino.

Raziskovalci upajo, da bodo izvedli bodoče študije, s katerimi bodo pokazali, kako se te informacije lahko uporabijo v različnih materialih.

"To nam daje popolnoma novo orodje za razumevanje mešanic in kaj se ne meša, " je dejal Umbanhowar. "Ti rezultati se lahko na koncu uporabijo kot orodje za oblikovanje."

menu
menu