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Pesquisadores de engenharia da Universidade Lehigh descobriram que a areia pode realmente fluir morro acima.
As descobertas da equipe foram publicadas hoje na revista Comunicações da Natureza. Um vídeo correspondente mostra o que acontece quando o torque e uma força atrativa são aplicados a cada grão – os grãos fluem para cima, para cima nas paredes e para cima e para baixo nas escadas.
“Depois de usar equações que descrevem o fluxo de materiais granulares”, diz James Gilchrist, Ruth H. e Sam Madrid Professor de Engenharia Química e Biomolecular na PC Rossin College of Engineering and Applied Science de Lehigh e um dos autores do artigo, ” fomos capazes de mostrar conclusivamente que essas partículas estavam de fato se movendo como um material granular, exceto que fluíam morro acima.”
Os investigadores dizem que a descoberta altamente invulgar poderá desbloquear muito mais linhas de investigação que poderão levar a uma vasta gama de aplicações, desde cuidados de saúde até transporte de materiais e agricultura.
O principal autor do artigo, Dr. Samuel Wilson-Whitford, ex-pesquisador de pós-doutorado no Laboratório de Mistura e Auto-Organização de Partículas de Gilchrist, capturou o movimento inteiramente por acaso no decorrer de sua pesquisa em microencapsulação. Quando ele girou um ímã sob um frasco de partículas de polímero revestidas com óxido de ferro, chamadas microrolos, os grãos começaram a se amontoar morro acima.
Wilson-Whitford e Gilchrist começaram a estudar como o material reagia ao ímã sob diferentes condições. Quando despejaram os microrrolos sem ativá-los com o ímã, eles fluíram ladeira abaixo. Mas quando aplicaram torque usando os ímãs, cada partícula começou a girar, criando dupletos temporários que rapidamente se formaram e se desfizeram. O resultado, diz Gilchrist, é uma coesão que gera um ângulo de repouso negativo devido a um coeficiente de atrito negativo.
“Até agora, ninguém teria usado esses termos”, diz ele. “Eles não existiam. Mas para entender como esses grãos estão fluindo morro acima, calculamos quais são as tensões que os fazem se mover naquela direção. Se você tem um ângulo de repouso negativo, então você deve ter coesão para dar um negativo coeficiente de atrito. Essas equações de fluxo granular nunca foram derivadas para considerar essas coisas, mas depois de calculá-las, o que resultou é um coeficiente de atrito aparente que é negativo. “
Aumentar a força magnética aumenta a coesão, o que dá aos grãos mais tração e a capacidade de se moverem mais rápido. O movimento coletivo de todos esses grãos, e a sua capacidade de aderirem uns aos outros, permite que uma pilha de partículas de areia trabalhe essencialmente em conjunto para fazer coisas contra-intuitivas – como subir paredes e subir escadas. A equipe agora está usando um cortador a laser para construir pequenas escadas e gravando vídeos do material subindo por um lado e descendo pelo outro. Um único microrrolo não conseguiria superar a altura de cada degrau, diz Gilchrist. Mas trabalhando juntos, eles podem.
“Este primeiro artigo se concentra apenas em como o material flui morro acima, mas nossos próximos artigos analisarão as aplicações, e parte dessa exploração é responder à pergunta: esses microrrolos podem escalar obstáculos? E a resposta é sim.”
As aplicações potenciais podem ser muito abrangentes. Os microrrolos podem ser usados para misturar coisas, segregar materiais ou mover objetos. E como estes investigadores descobriram uma nova forma de pensar sobre como as partículas essencialmente se aglomeram e funcionam colectivamente, as utilizações futuras poderão ser na microrobótica, que por sua vez poderá ter aplicações nos cuidados de saúde. Gilchrist apresentou recentemente um artigo explorando seu uso no solo como meio de fornecer nutrientes através de um material poroso.
“Estamos estudando essas partículas até a morte”, diz ele, “experimentando diferentes taxas de rotação e diferentes quantidades de força magnética para entender melhor seu movimento coletivo. Basicamente, conheço os títulos dos próximos 14 artigos que publicaremos. .”
Os financiadores associados incluem os Laboratórios de Física Aplicada da Universidade John Hopkins, a National Science Foundation (1931681), o Fundo de Desenvolvimento do Corpo Docente McClurg Endowment do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade Lehigh. Equipamentos do Instituto de Materiais e Dispositivos Funcionais (I-FMD) de Lehigh foram utilizados na pesquisa.
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