Immagini fulminee della materia granulare

Anche nel nostro mondo moderno e altamente tecnologizzato, non è possibile prevedere quando si verificheranno cadute di massi, come quelle avvenute recentemente nei Grigioni, o terremoti e come si svolgeranno nel dettaglio. Uno dei motivi è che, nonostante molti anni di ricerca, gli scienziati hanno ancora una conoscenza rudimentale del comportamento dei detriti e della sabbia, soprattutto in combinazione con l'acqua o i gas.

I ricercatori del Fare all'ETH di Zurigo guidati da Christoph Müller del Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi e da Klaas Prüssmann dell'Istituto di ingegneria biomedica dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo, insieme ai colleghi dell'Università di Osaka in Giappone, hanno ora sviluppato un nuovo metodo di ricerca che potrebbe facilitare notevolmente la ricerca su tali fenomeni in futuro. Molti eventi e disastri naturali potrebbero così essere meglio compresi e previsti.

Polveri e grani nell'industria chimica

I sistemi granulari - termine generico per tutto ciò che assomiglia a grani o polveri - svolgono un ruolo centrale non solo in natura. Sono importanti anche nelle applicazioni pratiche, ad esempio nell'industria chimica, dove tre quarti dei materiali di partenza sono in questa forma. Qui i processi produttivi vengono spesso interrotti, ad esempio a causa di inceppamenti o segregazioni impreviste e non sufficientemente comprese dei materiali granulari utilizzati.

"Anche un piccolo aumento dell'efficienza dei processi produttivi grazie a una migliore conoscenza porterebbe a un enorme risparmio energetico", spiega Alexander Penn, dottorando del gruppo di ricerca di Müller e Prüssmann. Tuttavia, se si vuole studiare cosa succede quando diverse particelle vengono mescolate o fatte reagire con i gas in reattori a letto fluido, ad esempio, ci si trova di fronte a un grosso problema. I sistemi granulari sono opachi, il che rende molto difficile scoprire qualcosa sull'esatta distribuzione spaziale delle particelle e sui loro movimenti.

Tecnologia medica per la ricerca sulla materia granulare

Per superare questo ostacolo, gli scienziati hanno riportato nella ricerca fisica una tecnica oggi utilizzata principalmente in medicina: la risonanza magnetica (MRI), nota per lo stretto tubo in cui il paziente viene spinto per l'esame.

Nella risonanza magnetica, le onde radio e i forti campi magnetici vengono utilizzati per allineare spazialmente i momenti magnetici di alcuni nuclei atomici di un tessuto o di un materiale (che possono essere immaginati come piccoli aghi di una bussola). I nuclei atomici perdono poi di nuovo questo allineamento, emettendo a loro volta onde radio che possono essere misurate. Infine, dai risultati della misurazione è possibile creare un'immagine tridimensionale delle posizioni dei nuclei atomici nel materiale.

Nei nuovi esperimenti, appena pubblicati sulla rivista Science Advances, i ricercatori del Fare all'ETH hanno aggiunto diverse antenne radio a un dispositivo di risonanza magnetica commerciale e hanno analizzato i dati di misurazione con un software speciale. In questo modo hanno potuto scattare istantanee dell'interno di sistemi granulari in movimento con una velocità di diecimila volte superiore a quella precedentemente ottenuta.

Gli scienziati hanno sviluppato particelle speciali costituite da gocce d'olio di un millimetro rivestite di agar, che generano un segnale di risonanza magnetica particolarmente forte. Lo hanno utilizzato, tra l'altro, per studiare il comportamento di sistemi granulari attraversati da un gas. Il flusso di gas fa sì che il mezzo granulare, altrimenti solido, assuma le caratteristiche di un liquido. Le bolle di gas possono salire in questo sistema granulare "fluidificato", dividersi o fondersi tra loro. Finora non è stato possibile studiare queste bolle in tempo reale.

Grazie alla nuova tecnica di indagine sviluppata dai ricercatori di Zurigo, è ora possibile ottenere immagini dell'interno della materia granulare con una risoluzione temporale inferiore al centesimo di secondo. Analizzando abilmente i segnali di risonanza magnetica, è anche possibile misurare la velocità delle particelle e ottenere così ulteriori informazioni sulla dinamica di questi sistemi complessi.

Applicazioni in CO₂-Separazione

Le conoscenze acquisite con la nuova tecnologia possono trovare numerose applicazioni. Tra le altre cose, i ricercatori intendono esaminare i modelli teorici esistenti per i sistemi granulari e migliorarli dove necessario. Tra queste, la segregazione spontanea di miscele granulari con particelle di dimensioni diverse, che può causare problemi nelle applicazioni industriali, e l'improvviso inceppamento di sistemi in movimento. La formazione di bolle nei sistemi granulari in movimento è a sua volta importante per i processi in cui un gas deve reagire chimicamente nel modo più forte possibile con i componenti delle particelle. Tali processi sono utilizzati, ad esempio, nella cattura dell'anidride carbonica, che è destinata a contrastare il cambiamento climatico in futuro. Anche in questo caso, una migliore comprensione dei processi fisici potrebbe portare a una maggiore efficienza e a un significativo risparmio energetico.