Científicos observan inestabilidad gravitacional en la que se forman'burbujas' de arena más ligera y se elevan a través de arena más pesada
Las inestabilidades gravitacionales (Rayleigh-Taylor, o R-T) son producidas por las interacciones de dos fluidos de diferentes densidades que no se mezclan -aceite y agua, por ejemplo- debido a que el fluido más ligero empuja al más pesado. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Columbia y ETH Zurich ha observado una inesperada inestabilidad de tipo R-T en la que los granos más ligeros se elevan a través de granos más pesados en forma de'dedos' y'burbujas granulares'. Desarrollo de una'burbuja' de arena más clara (azul) que se forma en arena más pesada (blanca).
Publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, el estudio es el primero en demostrar que las'burbujas' de arena más ligera se forman y se elevan 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 las lámparas de lava. Los científicos descubrieron que, al igual que las burbujas de aire y de petróleo se elevan en el agua porque son más ligeras que el agua y no quieren mezclarse con ella, las burbujas de arena ligera se elevan a través de la arena más pesada, a pesar de que dos tipos de arena gustan de mezclarse. "Creemos que nuestro descubrimiento es transformador.
Encontramos un análogo granular de una de las últimas inestabilidades mecánicas importantes de los fluidos", dijo el autor principal, el Dr. Chris Boyce, investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos de ETH Zürich y del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Columbia. "Nuestros hallazgos no sólo podrían explicar las formaciones y procesos geológicos que subyacen a los yacimientos minerales, sino que también podrían utilizarse en tecnologías de procesamiento de polvo en las industrias de energía, construcción y farmacéutica". El Dr. Boyce y sus colegas usaron 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 de gas ocurre porque los grupos de partículas más livianas y grandes tienen una mayor permeabilidad al flujo de gas que los granos más pesados y pequeños.
La inestabilidad del tipo R-T en materiales granulares surge de la competencia entre la fuerza de arrastre ascendente incrementada localmente por la canalización del gas y las fuerzas de contacto descendente, un mecanismo físico totalmente diferente al que se encuentra en los líquidos. El equipo encontró que este mecanismo de canalización de gas también genera otras inestabilidades gravitacionales, incluyendo la ramificación en cascada de una gota granular descendente. Los autores también demostraron que la inestabilidad del tipo R-T puede ocurrir bajo una amplia variedad de condiciones de flujo de gas y vibración, formando diferentes estructuras bajo 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 modelar dentro de las mezclas granulares para formar nuevos productos en la industria farmacéutica, por ejemplo", dijo el Dr. Boyce.
"Estamos especialmente entusiasmados con el impacto potencial de nuestros hallazgos en las ciencias geológicas - estas inestabilidades pueden ayudarnos a entender cómo se han formado las estructuras a lo largo de la larga historia de la Tierra y predecir cómo se pueden formar otras en el futuro".
Tipo de Óxido de Hierro Extremadamente Raro Encontrado en la Antigua Cerámica China
A veces, el estudio de tecnologías pasadas conduce a descubrimientos notables que pueden ayudar a diseñar mejores materiales para el futuro. Esta es la ciencia poco conocida de la arqueomimética, es decir, el desarrollo de nuevas tecnologías y materiales inspirados en la artesanía y las culturas antiguas. Arriba: réplica moderna de un cuenco de té Tenmoku con motivos de manchas de aceite. Abajo: primer plano de la mancha de aceite de una antigua cerámica Jian. Crédito: Weidong Li / Zhi Liu. Los hábiles alfareros de la dinastía Song (960-1279 d.C.) en la provincia de Fujian en el sureste de China han producido algunos de los productos más exquisitos del mundo antiguo: los famosos cuencos de Jian se caracterizan por su esmalte negro brillante que exhibe patrones de superficie increíblemente ricos y variables de color marrón o plateado. Eran tan apreciados, de hecho, que tres de las cuatro mercancías de Jian que sobrevivieron traídas a Japón por monjes budistas japoneses durante el siglo XIV fueron designadas como Tesoros Nacionales en el Archipiélago del Sol Naciente, donde son llamadas "Yohen Tenmoku". Los productos de Jian se producían en grandes cantidades en grandes hornos llamados hornos. La temperatura y la atmósfera dependían en gran medida de la ubicación exacta dentro del horno, lo que explica la sorprendente variedad de motivos que se pueden producir en el esmalte. La mayoría de los cuencos presentan vetas parduscas llamadas patrones de'pelo de liebre'. En raras ocasiones, las manchas redondas plateadas forman los llamados patrones de'manchas de aceite'. Las cerámicas de Jian se hacían utilizando la arcilla local rica en hierro y sus superficies estaban recubiertas con una mezcla de arcilla local, piedra caliza y ceniza de madera. Dentro del horno, la temperatura alcanzó valores de alrededor de 1.300 grados Celsius (más de 2.300 F), suficientes para fundir el recubrimiento que eventualmente formará el esmalte. Las burbujas de oxígeno en el glaseado licuado movieron los iones de hierro a la superficie. A medida que el esmalte se convertía en vidrio durante el proceso de enfriamiento, el flujo de hierro fundido fluía por los lados de las alfarerías y cristalizaba en óxidos de hierro. Basado en los colores, se ha asumido que los óxidos de hierro que se formaron en los patrones de piel de liebre eran de hematites mineral, mientras que los que cristalizaron en los patrones de manchas de aceite se cristalizaron como magnetita mineral. Sin embargo, un nuevo estudio publicado en la revista Scientific Reports indica que este no es el caso y los resultados son sorprendentes. El estudio fue realizado por un equipo internacional formado por Catherine Dejoie, Philippe Sciau y Laure Noé de Francia, Weidong Li, Kai Chen, Hongjie Luo y Zhi Liu de la República Popular China y Apurva Mehta, Martin Kunz y Nobumichi Tamura de Estados Unidos. Combinando diferentes enfoques, incluyendo microscopía óptica, microscopía electrónica, espectroscopía Raman y técnicas de rayos X de sincrotrón, el equipo demostró que los cristales contenidos en el esmalte del cuenco de Jian "Oil spot" y responsables de los patrones plateados consisten en una fase de alta pureza ε-Fe 2 O 3 (la fase épsilon), un pariente muy raro y metaestable de la hematitesina mineral. El esmalte'Piel de liebre' también contiene la ε-Fe 2 O 3 , pero en pequeña cantidad, mezclada con hematites. "Tenemos estos cristales que deben ser óxidos de hierro basados en sus composiciones químicas, pero cuyos datos de difracción de rayos X y espectros Raman no coinciden con ninguno de los minerales de óxido de hierro comunes, como la hematites, la maghemita o la magnetita. Al final, y por desesperación, probé esta fase de épsilon en la que nadie hubiera pensado y, para mi sorpresa, obtuve un ajuste perfecto", dijo la Dra. Catherine Dejoie de ETH Zurich, la autora principal del estudio. "A medida que aprendemos más sobre esta fase del épsilon, tenemos la sensación de que nos hemos topado con algo muy inesperado y potencialmente muy importante para nuestro mundo moderno", añadió el coautor, el Dr. Philippe Sciau, del CEMES. La sorpresa de los científicos es legítima, ya que la elusiva fase épsilon sólo se identificó en 1934 y su estructura cristalina era desconocida hasta 1995 y sólo se comprendió plenamente en 2005. Lo que hace que este compuesto sea tecnológicamente tan interesante es que en 2004, se descubrió que tenía una gia