Una nuova tecnica per visualizzare le forze interne nei materiali granulari
(METEOGIORNALE.IT) I materiali granulari, costituiti da singole particelle come granelli di sabbia, chicchi di caffè o ciottoli, rappresentano la forma più abbondante di materia solida sulla Terra. Il modo in cui questi materiali si muovono e reagiscono alle forze esterne può determinare l’insorgenza di frane o terremoti, così come eventi più comuni come l’intasamento dei cereali che fuoriescono dalla scatola.
Analizzare il modo in cui avvengono questi eventi di flusso e ciò che ne determina gli esiti è sempre stata una sfida reale, e la maggior parte delle ricerche è stata confinata a esperimenti bidimensionali che non rivelano l’intero quadro del comportamento di questi materiali.
Ora, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno sviluppato un metodo che consente esperimenti dettagliati in 3D in grado di rivelare esattamente come le forze vengono trasmesse attraverso i materiali granulari e come la forma dei granelli può cambiare drasticamente gli esiti. Questo nuovo lavoro potrebbe portare a migliori modi di comprendere come si innescano le frane, così come a controllare il flusso di materiali granulari nei processi industriali. I risultati sono descritti nella rivista PNAS in un articolo del professor Ruben Juanes e di Wei Li, ora docente alla Stony Brook University.
Onnipresenza e importanza dei materiali granulari
Dal suolo e dalla sabbia alla farina e allo zucchero, i materiali granulari sono onnipresenti. “È un elemento quotidiano, fa parte della nostra infrastruttura”, afferma Li. “Quando facciamo esplorazione spaziale, i nostri veicoli spaziali atterrano su materiale granulare. E il fallimento dei media granulari può essere catastrofico, come nel caso delle frane”.
“Una delle principali scoperte di questo studio è che forniamo una spiegazione microscopica del motivo per cui un insieme di particelle angolari è più forte di un insieme di sfere”, dice Li.
Juanes aggiunge: “È sempre importante, a livello fondamentale, comprendere la risposta complessiva del materiale. E posso vedere che in futuro, questo può fornire un nuovo modo per fare previsioni su quando un materiale fallirà”.
La comprensione scientifica di questi materiali è iniziata realmente solo qualche decennio fa, spiega Juanes, con l’invenzione di un modo per modellare il loro comportamento utilizzando dischi bidimensionali che rappresentano come le forze vengono trasmesse attraverso una collezione di particelle. Sebbene ciò abbia fornito nuove intuizioni importanti, ha anche affrontato gravi limitazioni.
In lavori precedenti, Li ha sviluppato un modo per creare particelle tridimensionali attraverso una tecnica di stampaggio a compressione che produce particelle di plastica prive di tensioni residue e che possono essere realizzate in praticamente qualsiasi forma irregolare. Ora, in questa ultima ricerca, lui e Juanes hanno applicato questo metodo per rivelare le tensioni interne in un materiale granulare mentre vengono applicati carichi, in un sistema completamente tridimensionale che rappresenta molto più accuratamente i materiali granulari del mondo reale.
Tecniche di imaging e applicazioni future
Queste particelle sono fotoelastiche, spiega Juanes, il che significa che quando sono sotto stress, modificano la luce che le attraversa in base alla quantità di stress. “Quindi, se fai passare luce polarizzata attraverso di essa e stressi il materiale, puoi vedere visivamente dove avviene quel cambiamento di stress, sotto forma di un colore e una luminosità diversi nel materiale”.
Materiali del genere sono stati utilizzati per molto tempo, dice Juanes, ma “una delle cose chiave che non era mai stata realizzata era la capacità di visualizzare gli stress di questi materiali quando sono immersi in un fluido, dove il fluido può fluire attraverso il materiale stesso”.
Essere in grado di farlo è importante, sottolinea, perché “i mezzi porosi di interesse – mezzi porosi biologici, industriali e geologici – spesso contengono fluido nei loro spazi porosi, e quel fluido sarà trasportato idraulicamente attraverso quelle aperture porose. E i due fenomeni sono accoppiati: come viene trasmesso lo stress e qual è la pressione del fluido poroso”.
Il problema era che, quando si utilizzava una collezione di dischi bidimensionali per un esperimento, i dischi si impacchettavano in modo da bloccare completamente il fluido. Solo con una massa tridimensionale di granelli ci sarebbero sempre stati percorsi per il fluido da fluire attraverso, in modo che gli stress potessero essere monitorati mentre il fluido si muoveva.
Utilizzando questo metodo, sono stati in grado di mostrare che “quando comprimi un materiale granulare, quella forza viene trasmessa sotto forma di ciò che chiameremmo catene o filamenti, che questa nuova tecnica è in grado di visualizzare e rappresentare in tre dimensioni”, dice Juanes.
Per ottenere quella vista in 3D, utilizzano una combinazione di fotoelasticità per illuminare le catene di forza, insieme a un metodo chiamato tomografia computerizzata, simile a quella utilizzata nelle scansioni CT mediche, per ricostruire un’immagine 3D completa da una serie di 2.400 immagini piatte scattate mentre l’oggetto ruota di 360 gradi.
Poiché i granelli sono immersi in un fluido che ha esattamente lo stesso indice di rifrazione dei granelli di poliuretano stessi, le perle sono invisibili quando la luce attraversa il loro contenitore se non sono sotto stress. Quindi, viene applicato lo stress e, quando la luce polarizzata viene fatta passare attraverso, ciò rivela gli stress come luce e colore, dice Juanes. “Ciò che è davvero notevole ed eccitante è che non stiamo visualizzando il mezzo poroso. Stiamo visualizzando le forze che vengono trasmesse attraverso il mezzo poroso. Questo apre, penso, un nuovo modo per interrogare i cambiamenti di stress nei materiali granulari”. Aggiunge che “questo è davvero stato un sogno per me per molti anni”, e dice che è stato realizzato grazie al lavoro di Li sul progetto.
Utilizzando il metodo, sono stati in grado di dimostrare esattamente come è che granelli irregolari e angolari producono un materiale più forte e più stabile di quelli sferici. Sebbene ciò fosse noto empiricamente, la nuova tecnica rende possibile dimostrare esattamente perché ciò avviene, in base al modo in cui le forze sono distribuite, e renderà possibile in lavori futuri studiare una vasta varietà di tipi di granelli per determinare esattamente quali caratteristiche sono più importanti nella produzione di strutture stabili, come il ballast dei letti ferroviari o la ripa frangiflutti.
Poiché non c’era modo di osservare le catene di forza 3D in tali materiali, dice Juanes, “Al momento è molto difficile fare previsioni su quando si verificherà esattamente una frana, perché non sappiamo nulla dell’architettura delle catene di forza per materiali diversi”.
Sarà necessario tempo per sviluppare il metodo per essere in grado di fare tali previsioni, dice Li, ma alla fine potrebbe essere un contributo significativo di questa nuova tecnica. E molte altre applicazioni del metodo sono anche possibili, anche in aree apparentemente non correlate come il modo in cui le uova di pesce rispondono mentre il pesce che le trasporta si muove attraverso l’acqua, o nell’aiutare a progettare nuovi tipi di pinze robotiche che possono adattarsi facilmente a raccogliere oggetti di qualsiasi forma.
Il lavoro è stato supportato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti. (METEOGIORNALE.IT)
