Mysterie van de zandkastelen onthuld

Heeft diep inzicht gekregen in de complexe structuur van vochtige korrels

Zandkasteel © Avatar / GFDL
voorlezen

Wie zandkastelen op het strand bouwt, heeft veel vaardigheid en verbeelding nodig, maar geen receptenboek: het watergehalte is namelijk voor de mechanische eigenschappen van het zand grotendeels onbelangrijk. Deze observatie had onderzoekers puzzel - tot nu toe. Voor een internationaal team van wetenschappers heeft nu de vloeistofstructuren in natte korrels onderzocht met behulp van röntgenmicrotomografie en hun legitimiteit ontcijferd. Ze rapporteren over hun bevindingen in de online editie van Nature Materials.

Röntgenmicrotomografie is in de geneeskunde ook bekend als computertomografie. Wetenschappers scannen een object vanuit verschillende hoeken met röntgenstralen en creëren een schaduwbeeld vergelijkbaar met een gewone röntgenfoto. Een computer evalueert al deze afbeeldingen en bepaalt welke driedimensionale structuur het object moet hebben om die silhouetten te maken.

Wanneer wetenschappers een briljante röntgenbron gebruiken, zoals de synchrotron-stralingsbron op de ESRF in Grenoble, wordt computertomografie gemaakt met een resolutie van een paar duizendsten van een millimeter. Dit is genoeg om de kleine en zeer complexe vloeistofstructuren op te lossen die zich in een natte korrel vormen, zoals het interieur van een zandkasteel.

Verbluffende resultaten

Wat onderzoekers te zien krijgen, is in de eerste plaats verbazingwekkend: zelfs bij een gehalte van slechts ongeveer drie procent vormt de vloeistof een zeer complexe structuur in de structuur. Desondanks blijft de mechanische stijfheid van het natte zand vrijwel constant in een vochtigheidsbereik van minder dan één tot ruim tien procent, hoewel de vloeistofstructuur daarin enorm verandert.

De vloeistof dringt niet volledig door in de korrels en verplaatst dus de lucht niet uit de tussenruimten. Integendeel, er ontstaat een filigraanstructuur waarin vloeistof, korrels en lucht in gelijke mate naast elkaar bestaan. De reden hiervoor is vrij gemakkelijk te begrijpen: omdat de vloeistof de korrels nat maakt (anders kun je ze helemaal niet in de korrels brengen), willen ze zich met zoveel mogelijk 'graan' omringen. Dit kan het beste worden gedaan op de contactpunten waar twee korrels elkaar raken. De 'lege' ruimte ertussen is relatief onaantrekkelijk voor de vloeistof en vult zich met lucht. tonen

Nieuwe kennis over mechanische eigenschappen

X-ray microtomografie van een vloeistofcluster in een dichte envelop van glazen bollen (diameter van de bollen ongeveer 0, 8 millimeter) Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation, G ttingen

Zoals de Gttingen-wetenschappers van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization samen met collega's van de Australia National University in Canberra, de University of Erlangen en de ESRF in Grenoble nu de geometrie van deze filigraan fl Toen ze goed naar deze structuren keken, ontdekten ze dat ze niet alleen allemaal dezelfde druk hadden, maar dat ze ook onafhankelijk moesten zijn van het vloeistofgehalte. Dit is de sleutel tot de universele stijfheid van het materiaal: dezelfde druk komt overeen met een gelijke kracht in het interieur en leidt dus tot dezelfde mechanische eigenschappen van de natte korrels.

Deze kwaliteiten zijn niet alleen bepalend voor de bouw van zandkastelen, legt Stephan Herminghaus, hoofd van de studie, uit. Ze zijn net zo relevant voor de farmaceutische en voedingsmiddelenindustrie als voor het begrijpen van veel natuurrampen, zoals aardverschuivingen: overal zijn vochtige korrels waarvan de mechanische eigenschappen een rol spelen Eigenschappen die we nu beter begrijpen

(idw - MPG, 11.02.2008 - DLO)