Des scientifiques observent une instabilité gravitationnelle dans laquelle des “bulles” de sable léger se forment et s’élèvent à travers du sable plus lourd.

Les instabilités gravitationnelles (Rayleigh-Taylor, ou R-T) sont produites par les interactions de deux fluides de densité différente qui ne se mélangent pas – l’huile et l’eau, par exemple – parce que le fluide le plus léger repousse le plus lourd. Or, une équipe de chercheurs de l’Université de Columbia et de l’ETH Zurich a observé une instabilité inattendue de type R-T, dans laquelle des grains légers s’élèvent à travers des grains plus lourds sous la forme de “doigts” et de “bulles granulaires”.

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Développement d’une “bulle” de sable plus léger (bleu) se formant dans du sable plus lourd (blanc). Crédit photo : Alex Penn / ETH Zurich.

Publié dans le Proceedings of the National Academy of Sciencesl’étude est la première à démontrer que des “bulles” de sable léger se forment et s’élèvent à travers du sable plus lourd lorsque les deux types de sable sont soumis à une vibration verticale et à un flux de gaz ascendant, comme les bulles qui se forment et s’élèvent dans les lampes à lave.

Les scientifiques ont découvert que, tout comme les bulles d’air et d’huile s’élèvent dans l’eau parce qu’elles sont plus légères que l’eau et ne veulent pas s’y mélanger, les bulles de sable léger s’élèvent à travers le sable plus lourd même si les deux types de sable aiment se mélanger.

“Nous pensons que notre découverte est transformatrice. Nous avons trouvé un analogue granulaire de l’une des dernières grandes instabilités mécaniques des fluides”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Chris Boyce, chercheur au département de génie mécanique et des procédés de l’ETH Zürich et au département de génie chimique de l’université Columbia.

“Nos résultats pourraient non seulement expliquer les formations géologiques et les processus qui sous-tendent les gisements minéraux, mais aussi être utilisés dans les technologies de traitement des poudres dans les industries de l’énergie, de la construction et des produits pharmaceutiques.”

Le Dr Boyce et ses collègues ont utilisé une modélisation expérimentale et informatique pour montrer que la canalisation du gaz à travers des particules plus légères déclenche la formation de motifs en doigts et en bulles.

La canalisation du gaz se produit parce que les amas de particules plus grandes et plus légères ont une plus grande perméabilité au flux de gaz que les grains plus petits et plus lourds.

L’instabilité de type R-T dans les matériaux granulaires résulte d’une compétition entre la force de traînée ascendante augmentée localement par la canalisation du gaz et les forces de contact descendantes, un mécanisme physique entièrement différent de celui que l’on trouve dans les liquides.

L’équipe a découvert que ce mécanisme de canalisation du gaz génère également d’autres instabilités gravitationnelles, y compris la ramification en cascade d’une gouttelette granulaire descendante.

Les auteurs ont également démontré que l’instabilité de type R-T peut se produire dans une grande variété de conditions d’écoulement et de vibration du gaz, formant différentes structures sous différentes conditions d’excitation.

“Ces instabilités, qui peuvent être appliquées à une variété de systèmes, jettent une nouvelle lumière sur la dynamique granulaire et suggèrent de nouvelles possibilités de modelage au sein des mélanges granulaires pour former de nouveaux produits dans l’industrie pharmaceutique, par exemple”, a déclaré le Dr Boyce.

“Nous sommes particulièrement enthousiasmés par l’impact potentiel de nos découvertes sur les sciences géologiques – ces instabilités peuvent nous aider à comprendre comment les structures se sont formées au cours de la longue histoire de la Terre et à prédire comment d’autres pourraient se former à l’avenir.”

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