科学家解释“巴西坚果”为何总是位于综合坚果的顶部

2021年04月19日 17:25 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

科学家们首次捕捉到了颗粒材料中颗粒运动的复杂动态,帮助解释了为什么混合坚果中经常看到较大的巴西坚果出现在所有其它坚果的顶部。这些发现可能会对制药和采矿中经常与这种现象作斗争的行业产生至关重要的影响。

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很多人都会有这样的经历:将手浸入一袋混合坚果中,却发现巴西坚果在顶部。这种效应在麦片盒上也很容易观察到,较大的物品会上升到顶部。通俗地讲,这种颗粒按大小隔离的现象被称为 "巴西坚果效应",对工业也有巨大的影响,因为不均匀的混合会严重降低产品质量。

现在,曼彻斯特大学的科学家们首次利用时间分辨的3D成像技术,展示了巴西坚果是如何在一堆坚果中向上上升的。这项工作显示了颗粒形状在除杂过程中的重要性。研究颗粒状材料的一个常见困难是跟踪堆内侧的颗粒会发生什么,这些颗粒不容易被看到。这项发表在《科学报告》杂志上的新研究通过利用位于亨利·罗伊斯研究所的新国家实验室X射线计算机断层扫描研究设施(NXCT)的先进成像技术,使我们的认识取得了关键性的突破。

Regius教授Philip Withers说。"在这项工作中,我们通过延时X射线计算机断层扫描技术跟踪巴西坚果和花生的运动,因为包装被反复搅拌。这让我们首次看到了巴西坚果经过花生移动到顶部的过程。"

该团队用视频拍摄了这一独特的成像实验,以3D方式展示了坚果混合物的时空演变。花生被看到向下渗透,而三个较大的巴西坚果被看到向上上升。第一个巴西坚果在70次剪切循环后达到床面高度的10%,另外两个巴西坚果在150次剪切循环后达到这个高度。其余的巴西坚果似乎被困在底部,没有向上上升。

该研究的主要作者Parmesh Gajjar博士补充道。"关键的是,巴西坚果的方向是其向上运动的关键。我们发现,巴西坚果最初开始是水平的,但直到它们首先向垂直轴充分旋转后才开始上升。到达表面后,它们就会恢复到平坦的方向。

"我们的研究强调了颗粒形状和方向在分离中的重要作用。此外,这种以3D方式跟踪运动的能力将为隔离混合物的新实验研究铺平道路,并将为更真实的模拟和强大的预测模型打开大门。这将使我们能够更好地设计工业设备,最大限度地减少尺寸隔离,从而使混合物更加均匀。这对许多行业来说都是至关重要的,例如确保药片中活性成分的均匀分布,而且在食品加工、采矿和建筑业中也是如此。"

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