Incluso en nuestro mundo moderno lleno de máquinas y dispositivos altamente tecnológicos, aún es imposible predecir cuándo ocurrirán deslizamientos de rocas, como el reciente en Graubünden, o terremotos y cómo evolucionarán exactamente. Esto se debe en parte al hecho de que a pesar deDespués de muchos años de investigación, los científicos acaban de comenzar a comprender el comportamiento de la grava y la arena, particularmente cuando se mezclan con agua o gases.
Un equipo de investigadores dirigido por Christoph Müller en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos del ETH Zurich y Klaas Prüssmann en el Instituto de Ingeniería Biomédica del ETH y la Universidad de Zurich, junto con colegas de la Universidad de Osaka en Japón, ahora tienendesarrolló una nueva técnica que podría facilitar mucho el estudio de tales fenómenos en el futuro. Muchos fenómenos naturales y catástrofes naturales podrían entenderse mejor y predecirse más fácilmente.
Polvos y granos en la industria química
Los sistemas granulares, un término genérico para cualquier cosa que se asemeje a granos o polvos, juegan un papel fundamental no solo en la naturaleza. Son igualmente importantes en aplicaciones prácticas, como la industria química, donde las tres cuartas partes de las materias primas son granularesUn problema frecuente que enfrenta la industria química es que los flujos de producción pueden verse interrumpidos, por ejemplo, por atascos o desmezclados imprevistos y poco conocidos de los materiales granulares utilizados.
"Incluso un pequeño aumento en la eficiencia de los procesos de producción a través del conocimiento mejorado permitiría ahorrar mucha energía", explica Alexander Penn, un estudiante de doctorado en el grupo de Müller y Prüssmann. Sin embargo, al tratar de entender quéOcurre, por ejemplo, cuando diferentes partículas se mezclan o se hacen interactuar con gases en los llamados lechos fluidizados, uno se enfrenta a un problema grave: los sistemas granulares son opacos, lo que hace que sea muy difícil aprender algo sobre la distribución espacial exacta y el movimiento.de las partículas.
La tecnología médica ayuda a los estudios de sistemas granulares
Para superar este obstáculo, los científicos han reintroducido una tecnología en la investigación de la física que, hoy en día, se usa principalmente en medicina: la resonancia magnética MRI, que es bien conocida por los pacientes de tubo estrecho que deben examinarse.La resonancia magnética utiliza ondas de radio y fuertes campos magnéticos para alinear primero los momentos magnéticos de ciertos núcleos atómicos dentro de un tejido o material estos se pueden visualizar como pequeñas agujas de brújula.
Posteriormente, los núcleos atómicos pierden su alineación, y al hacerlo, ellos mismos emiten ondas de radio que se pueden medir. Finalmente, los resultados de esas mediciones se utilizan para crear una imagen tridimensional de las posiciones de los núcleos atómicos enel material. En sus nuevos experimentos, publicados recientemente en la revista científica Avances científicos , los investigadores de ETH agregaron una serie de antenas de radio a un dispositivo de resonancia magnética comercial y analizaron las mediciones utilizando un software especial. Esto les permitió medir la dinámica interna de los sistemas granulares diez mil veces más rápido que antes.
Para ese propósito, los científicos desarrollaron partículas especiales que consisten en una gota de aceite cubierta de agar de un milímetro de diámetro que produjo una señal de resonancia magnética particularmente grande y sostenida. Las usaron, entre otras cosas, para estudiar qué sucede cuando un gasfluye a través de sistemas granulares. El flujo de gas hace que el medio granular, que generalmente es sólido, se comporte como un fluido. En tales sistemas granulares "fluidizados", las burbujas de gas pueden elevarse, dividirse o fusionarse.
Hasta ahora, era imposible estudiar tales burbujas en tiempo real. La nueva técnica de medición desarrollada por los científicos con sede en Zúrich permite tomar imágenes del interior de la materia granular con una resolución temporal de menos de una centésima de segundoAdemás, un análisis inteligente de las señales de resonancia magnética permite medir las velocidades de las partículas individuales y, por lo tanto, obtener información adicional sobre la dinámica de esos sistemas complejos.
Aplicaciones en captura de carbono
Existen numerosas aplicaciones posibles del conocimiento obtenido usando la nueva técnica. Los investigadores están planeando, por ejemplo, probar cuidadosamente los modelos teóricos existentes para sistemas granulares y, cuando sea necesario, mejorarlos. Entre los modelos a probar están losDesmezcla espontánea de mezclas granulares de partículas que tienen diferentes tamaños, lo que puede causar problemas en aplicaciones industriales, así como el "atasco" espontáneo de los sistemas de flujo. Por otro lado, la formación de burbujas en sistemas granulares expuestos a flujos de gas esimportante para los procedimientos en los que se supone que un gas reacciona con la mayor fuerza posible con partículas de catalizador. Tales procedimientos se utilizan, por ejemplo, en la captura de dióxido de carbono, que en el futuro podría usarse para contrarrestar el cambio climático. Una mejor comprensión de lo físicolos procesos involucrados podrían conducir a una mayor eficiencia y un considerable ahorro de energía.
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Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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