Forscher der Ingenieurwissenschaften an der Universität Lehigh haben eine erstaunliche Entdeckung gemacht: Sand kann bergauf fließen. Die Ergebnisse des Teams, die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, zeigen, dass Sandpartikel bergauf, an Wänden entlang und Treppen hoch- und runterfließen können, wenn Drehmoment und anziehende Kraft auf jeden Sandkorn angewendet werden. Dieses äußerst ungewöhnliche Phänomen hat bedeutende Auswirkungen auf eine Vielzahl von Anwendungen, von der Gesundheitsversorgung über den Transport von Materialien bis hin zur Landwirtschaft.

Die Entdeckung wurde von James Gilchrist, Professor für Chemische und Biomolekulare Technik am P.C. Rossin College of Engineering der Lehigh University, und seinem Team gemacht. Sie verwendeten Gleichungen, die den Fluss von granularen Materialien beschreiben, um zu zeigen, dass die Partikel als granulares Material bergauf flossen.

Der Hauptautor des Artikels, Dr. Samuel Wilson-Whitford, entdeckte dies zufällig während seiner Forschung zur Mikroverkapselung. Er bemerkte, dass die Sandkörner anfingen, bergauf zu wandern, als er einen Magneten unter einem Glas mit mit Eisenoxid beschichteten Polymerpartikeln namens Mikrorollern drehte.

Die Forscher stellten fest, dass das Anlegen eines Drehmoments an die Mikroroller mit Magneten dazu führte, dass sich jedes Partikel drehte und temporäre Doppelbindungen bildete, die schnell entstanden und sich auflösten. Diese Kohäsion erzeugte aufgrund eines negativen Reibungskoeffizienten einen negativen Ruhe- oder Schüttenwinkel, der es den Sandpartikeln ermöglichte, bergauf zu fließen.

Eine Erhöhung der magnetischen Kraft erhöhte die Kohäsion der Sandpartikel, was ihnen mehr Traktion und die Fähigkeit gab, sich schneller zu bewegen. Die gemeinschaftliche Bewegung und die Möglichkeit, dass sich die Partikel aneinander haften können, ermöglichten ihnen kontra-intuitive Aktionen wie das Fließen an Wänden entlang und das Hinaufsteigen von Treppen. Die Forscher untersuchen den Einsatz der Mikroroller, um Hindernisse zu überwinden, was potenzielle Anwendungen in der Mikrorobotik und der Gesundheitsversorgung haben könnte.

Diese innovative Entdeckung eröffnet neue Forschungs- und Anwendungsmöglichkeiten für granulare Materialien. Das Team der Lehigh University plant, die Mikroroller weiter zu untersuchen und ihren Einsatz in verschiedenen Bereichen zu erforschen. Sie untersuchen bereits Anwendungen in Mischungen, Segregation und Objektbewegung. Darüber hinaus erforschen sie den Einsatz der Mikroroller bei der Nährstoffzufuhr durch poröse Materialien.

Die Auswirkungen von Sand, der bergauf fließt, sind weitreichend, und diese Entdeckung hat das Potenzial, Branchen und Technologien zu revolutionieren. Das Forschungsteam ist begeistert, ihre Experimente fortzusetzen, und plant, in naher Zukunft mehrere Artikel zu dem Thema zu veröffentlichen.

Quelle: Nature Communications (2023) DOI: 10.1038/s41467-023-41327-1