El equipo liderado por Chris Bouyce, profesor asistente de ingeniería química en Columbia Engineering, observó una inesperada inestabilidad similar a Rayleigh-Taylor (R-T) en la que los granos más ligeros se elevan a través de granos más pesados en forma de "dedos" y "burbujas granulares". Las inestabilidades de R-T, que son producidas por las interacciones de dos fluidos de diferentes densidades que no se mezclan, (es el caso del aceite y el agua, porque el fluido más liviano hace a un lado el más pesado), no se habían visto entre dos materiales granulares secos.
El estudio, publicado en PNAS, es el primero en demostrar que "burbujas" de arena más ligera se forman y suben a través de arena más pesada cuando los dos tipos de arena están sujetos a vibración vertical y flujo de gas ascendente, similar a las burbujas que se forman y se elevan en lámparas de lava. El equipo descubrió que, al igual que las burbujas de aire y aceite se elevan en el agua porque son más ligeras que el agua y no quieren mezclarse con ella, las burbujas de arena liviana se elevan a través de la arena más pesada, aunque a dos tipos de arena les 'gusta' mezclarse.
"Creemos que nuestro descubrimiento es transformador", dice Boyce. "Hemos encontrado un análogo granular de una de las últimas inestabilidades mecánicas de fluidos. Mientras que los análogos de las otras inestabilidades importantes se han descubierto en flujos granulares en las últimas décadas, la inestabilidad de R-T ha eludido una comparación directa. Nuestros hallazgos no solo podrían explicar las formaciones geológicas y los procesos que subyacen a los depósitos minerales, sino que también podrían usarse en tecnologías de procesamiento de polvo en las industrias de energía, construcción y productos farmacéuticos".
El grupo de Boyce utilizó modelos experimentales y computacionales para mostrar que la canalización de gas a través de partículas más ligeras desencadena la formación de patrones de dedos y burbujas. La canalización del gas se produce porque los grupos de partículas más ligeras y grandes tienen una mayor permeabilidad al flujo de gas que los granos más pesados pequeños. La inestabilidad tipo R-T en los materiales granulares surge de una competencia entre la fuerza de arrastre ascendente incrementada localmente por canalización de gas y las fuerzas de contacto descendente, un mecanismo físico completamente diferente del que se encuentra en los líquidos.
Descubrieron que este mecanismo de canalización de gas también genera otras inestabilidades gravitacionales, incluida la ramificación en cascada de una gota granular descendente. También demostraron que la inestabilidad tipo R-T puede ocurrir en una amplia variedad de condiciones de flujo de gas y vibración, formando diferentes estructuras en diferentes condiciones de excitación.
"Estas inestabilidades, que se pueden aplicar a una variedad de sistemas, arrojan nueva luz sobre la dinámica granular y sugieren nuevas oportunidades para los patrones dentro de mezclas granulares para formar nuevos productos en la industria farmacéutica, por ejemplo", agrega Boyce. "Estamos especialmente entusiasmados con el impacto potencial de nuestros hallazgos en las ciencias geológicas. Estas inestabilidades pueden ayudarnos a comprender cómo se han formado las estructuras a lo largo de la larga historia de la Tierra y predecir cómo se formarán otras en el futuro".