科學家解釋「巴西堅果」為何總是位於綜合堅果的頂部

科學家們首次捕捉到了顆粒材料中顆粒運動的復雜動態,幫助解釋了為什麼混合堅果中經常看到較大的巴西堅果出現在所有其它堅果的頂部。這些發現可能會對制藥和采礦中經常與這種現象作斗爭的行業產生至關重要的影響。

科學家解釋「巴西堅果」為何總是位於綜合堅果的頂部

很多人都會有這樣的經歷:將手浸入一袋混合堅果中,卻發現巴西堅果在頂部。這種效應在麥片盒上也很容易觀察到,較大的物品會上升到頂部。通俗地講,這種顆粒按大小隔離的現象被稱為 “巴西堅果效應”,對工業也有巨大的影響,因為不均勻的混合會嚴重降低產品質量。

現在,曼徹斯特大學的科學家們首次利用時間分辨的3D成像技術,展示了巴西堅果是如何在一堆堅果中向上上升的。這項工作顯示了顆粒形狀在除雜過程中的重要性。研究顆粒狀材料的一個常見困難是跟蹤堆內側的顆粒會發生什麼,這些顆粒不容易被看到。這項發表在《科學報告》雜誌上的新研究通過利用位於亨利·羅伊斯研究所的新國家實驗室X射線計算機斷層掃描研究設施(NXCT)的先進成像技術,使我們的認識取得了關鍵性的突破。

Regius教授Philip Withers說。”在這項工作中,我們通過延時X射線計算機斷層掃描技術跟蹤巴西堅果和花生的運動,因為包裝被反復攪拌。這讓我們首次看到了巴西堅果經過花生移動到頂部的過程。”

該團隊用視頻拍攝了這一獨特的成像實驗,以3D方式展示了堅果混合物的時空演變。花生被看到向下滲透,而三個較大的巴西堅果被看到向上上升。第一個巴西堅果在70次剪切循環後達到床面高度的10%,另外兩個巴西堅果在150次剪切循環後達到這個高度。其餘的巴西堅果似乎被困在底部,沒有向上上升。

該研究的主要作者Parmesh Gajjar博士補充道。”關鍵的是,巴西堅果的方向是其向上運動的關鍵。我們發現,巴西堅果最初開始是水平的,但直到它們首先向垂直軸充分旋轉後才開始上升。到達表面後,它們就會恢復到平坦的方向。

“我們的研究強調了顆粒形狀和方向在分離中的重要作用。此外,這種以3D方式跟蹤運動的能力將為隔離混合物的新實驗研究鋪平道路,並將為更真實的模擬和強大的預測模型打開大門。這將使我們能夠更好地設計工業設備,最大限度地減少尺寸隔離,從而使混合物更加均勻。這對許多行業來說都是至關重要的,例如確保藥片中活性成分的均勻分布,而且在食品加工、采礦和建築業中也是如此。”

來源:cnBeta