“工程师展示了沙子的“气泡””

化学反应器中使用的砂和催化粒子等粒子材料的流动，可以产生从泥浆到火山、从药物生产到碳捕获等各种自然现象。 虽然粒子的运动和混合经常与液体表现出惊人的相似性，但像移动的沙丘、雪崩、流沙中一样，粒状流动的物理特征不像液体流动那样容易理解。

目前，哥伦比亚工程企业化学工程助理教授克里斯·博伊斯最近发现了一个由流体中不可见的气体通道机构驱动的新的密度不同的粒状粒子重力不稳定性系列。 boyce小组和能源工程科学教授christophmü； 苏黎世联邦理工学院的ler小组合作，注意到意外的瑞利-泰勒( rt )式不稳定性，其中轻粒子以手指和颗粒状气泡的形式通过重粒子上升。 rt不稳定性是由油和水这两种不同密度的流体的相互作用产生的。 由于轻流体推压着重流体，所以在两个干燥的粒子材料之间看不到。

今天，发表在美国科学院院报上的这项研究首次说明，两种砂在受到垂直振动和向上的气流时，会形成轻砂泡，通过重砂上升。 像是由熔岩灯形成并上升的泡沫。 这个小组发现，空气体和油的气泡就像在水中上升一样，比水轻，所以不想混合。 即使两种沙子混合，轻沙子的气泡也会通过重沙子上升。

我们认为我们的发现是变革性的。 博伊斯说。 我们找到了最近主要的流体力学不稳定性的粒状模拟。 近几十年来，在粒状流动中发现了其他主要不稳定性类似物，但rt不稳定性直接逃避了比较。 我们的研究结果不仅说明了矿物沉积的地质结构和过程，还可以用于能源、建筑和制药领域的粉末加工技术。

boyce小组利用实验和计算模型说明，用轻粒子诱发气体可诱发手指和气泡模式的形成。 产生气体穿透是因为轻，越是大粒子簇重的小粒子，透气性越高。 粒状材料中rt这样的不稳定性是由于气体通道局部增加的向上拖曳力和向下接触力的竞争，这种物理机制与在液体中发现的物理机制完全不同。

研究人员发现，该气体流路机构还会产生其他重力不稳定性，包括降低粒子液滴的级联分支。 他们还说明了rt这种不稳定性在各种气流和振动条件下产生，在不同的激励条件下可以形成不同的结构。

这些不稳定性可以应用于各种系统，为粒状动力学提供了新的视角，提出了在粒子混合物中形成图案的新机会，从而在制药领域形成新产品。 例如，boyce这样补充道。 我们的研究结果对地质科学的潜在影响特别兴奋。 这些不稳定性有助于预测结构在地球漫长的历史中是如何形成的，将来其他人会如何形成。

博伊斯现在正在调查沙粒中其他类似液体和结构的现象，并将它们的行为定量化。 他与地质学家和火山学家对话，探索关于这个过程和类似的过程在自然界中如何发生的越来越多的过程。

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