Granulaire Materie
For the English version click here!
Wat is granulaire materie?
Granulaire materialen zijn korrelvormige materialen, die je echt overal
om je heen tegen komt:
-klein: zand, suiker, zout, poeder...
-middel: hagelslag, muesli, pillen, koffie, snoep...
-groot: aardappelen, bloemkolen, rotsblokken, auto's en zelfs mensen!
Granulaire materie kom je in verschillende toestanden of fases tegen:
Het kan zich namelijk gedragen als
-vaste stof: zandkasteel,
-vloeistof: zandloper,
-gas: zandstorm.
Waarom doen we onderzoek naar granulaire materie?
Het lijken immers zulke simpele materialen in
al zijn verschijningsvormen, maar de waarheid is dat we er maar weinig vanaf weten.
Er is dus nog veel winst te halen:
Elk jaar gaat maar liefst 5% van het mondiale energiebudget (oftewel 500 miljard dollar!)
verloren door problemen met het transport en de verwerking van granulaire materialen...
Veel industrieën gebruiken namelijk granulaire materialen als basis- of eindproduct,
denk maar eens aan farmaceutische industrie (poeders, pillen),
mijnbouw (kolen, mineralen), landbouw (granen), of voedselproductie (suiker, meel),
bouwsector (mortel, grind) en talloze andere.
Voor deze zeer uiteenlopende industrieën is het zeer van belang om het gedrag van deze korrelvormige
stoffen volledig te doorgronden, maar op dit moment worden juist de meeste processen bedacht,
bediend en gebruikt op basis van ervaring zonder dat er een wetenschappelijke
basis voor is.
Bij de farmaceutische industrie is het bijvoorbeeld zeer ongewenst
als bij de productie van pillen alle werkzame stof in één pilletje komt te zitten,
doordat de verschillende poeders gaan scheiden (een veelvoorkomend granulair
verschijnsel).
Volgens schatting wordt op wereldschaal 10% van de energie verbruikt door deze industrieën
en gaat maar liefst 40% hiervan verloren door problemen met de verwerking en het transport van granulair materiaal!
Wat zijn de problemen met granulaire materialen?
-Er wordt geschat dat elk jaar ongeveer 1000 silo's in Noord-Amerika falen, zoals
in onderstaande desastreuze voorbeelden...
-Peugeot dacht slim een mal voor een motorblok te maken door zand bij het model in een kist
te doen en het idee was dan dat het zand alle gaten op zou gaan vullen wanneer je de
kist zou gaan schudden. Het resultaat was echter een volledig vervormd model en dus een
waardeloze mal. Door het schudden was er namelijk een sterke stroming (convectie) ontstaan in
het zand, waardoor er zulke grote krachten op het model kwamen te staan dat deze
helemaal werd verwrongen.
-Duinen bewegen slechts langzaam, maximaal met een snelheid van 100 meter per jaar
onder de meest gunstige omstandigheden. Echter, ze kunnen gemakkelijk een weg
'opwandelen' en zo voor problemen zorgen of ernstige overlast aan een
stad als
Nouakchott
(hoofdstad van Mauritanië) bezorgen door gestaag de stad op
te slokken.
-Het alledaagse verschijnsel file is ook terug te brengen tot een
granulair probleem: wanneer er immers veel deeltjes (auto's, vrachtwagens)
over een stuk snelweg rijden, dan kan door een enkele remmende auto een
cluster van deeltjes ontstaan (veelvoorkomend granulair verschijnsel)
en dat noemen we ook wel file...
Wordt er veel granulair onderzoek gedaan?
Jazeker, want bovenstaande voorbeelden geven wel aan dat het van enorm economisch belang is om deze en
andere granulaire systemen tot de basismechanismes te doorgronden.
Daarnaast zijn granulaire materialen ook bijzonder interessant
vanuit fundamenteel wetenschappelijk oogpunt: Zoals hierboven al vermeld, is er
maar weinig kennis over de onderliggende natuurkunde bij granulaire systemen
en dat maakt de granulaire wetenschap tot een haast onontgonnen gebied. Dat laatste
maakt dit onderwerp ook zo interessant, want veel effecten die je in experimenten
in het lab ziet, zijn nog niet (volledig) begrepen, als ze überhaupt al ooit
waargenomen zijn. De kans is namelijk groot dat je als onderzoeker dit specifieke
fenomeen voor het allereerst waarneemt en de kans krijgt om het te onderzoeken
en uit te pluizen! Erg stimulerend!
In de jaren '90 is het onderzoek aan granulaire materie flink op gang gekomen
en zo wordt de nog steeds jonge granulaire wetenschap langzaam volwassen, zoals
ook af te lezen is aan het aantal artikelen dat over het onderwerp "granulaire materie"
de afgelopen jaar gepubliceerd is:
Granulair levensverhaal:
Als de dingen in je leven je even allemaal te veel worden,
als 24 uur in een dag niet meer genoeg tijd lijkt,
denk dan eens aan dit bericht...
Een professor stond voor de klas om een les filosofie te geven.
Hij had een aantal voorwerpen voor zich liggen.
Toen de klas begon, nam hij zonder iets te zeggen de lege pot
van de mayonaise en begon deze te vullen met golfballetjes.
Toen deze hier helemaal mee gevuld was, vroeg de professor aan zijn
studenten of de pot nu helemaal vol was.
Zij antwoordden van wel.
Toen nam de professor een doos met kralen en kiepte deze in de pot.
Hij schudde lichtjes met de pot en de kralen rolden tussen de open
plekken tussen de golfballetjes.
Weer vroeg de professor aan zijn studenten of de pot nu vol was.
Ze gaven weer eenzelfde antwoord; ja, de pot is vol.
De professor nam nu een doos met zand en kiepte dit zand in de
pot met golfballetjes en kralen.
Natuurlijk vulde het zand alle ruimte op tussen de golfballetjes en de kralen.
Weer vroeg de professor aan zijn studenten of de pot nu vol was:
de studenten antwoordden van wel.
Van onder het bureau nam de professor nu twee koppen koffie en
kiepte de hele inhoud van deze twee koppen koffie in de pot met
golfballetjes, kralen en zand.
De hele inhoud verdween in de pot.
De koffie vulde de ruimte op tussen het zand.
De studenten begonnen te lachen.
"Nu", zei de professor, "nu wil ik dat jullie deze pot zien als
jullie eigen leven. Deze pot gevuld met golfballetjes, kralen, zand en
koffie, stelt namelijk het leven van een mens voor."
"De golfballetjes zijn de belangrijke dingen in het leven: je
familie, je kinderen, je geloof, je gezondheid en je favoriete bezigheden.
Dingen die ervoor zorgen dat als er niets meer op de wereld was dan deze
dingen, je leven toch gevuld zou zijn."
"De kralen zijn de andere dingen die belangrijk zijn. Je werk,
je huis, je auto. Het zand, dat staat voor de kleine
dingetjes die belangrijk voor je zijn."
"Als je het zand als eerste in de pot kiept en hem hiermee vult,
is er geen plek meer voor de kralen of voor de golfballetjes.
Datzelfde geldt ook voor je eigen leven.
Als je al je tijd en energie aan de kleine dingetjes besteedt, dan kun je nooit meer ruimte
hebben voor de dingen die belangrijk voor je zijn.
Besteed aandacht aan de dingen die belangrijk voor je zijn.
Speel bijvoorbeeld met je kinderen.
Neem tijd voor een onderzoek voor je gezondheid zo nu en dan.
Neem je partner mee uit eten.
Doe nog iets leuks, er is altijd nog wel ergens tijd om het huis
te poetsen of de prullenbak te repareren."
"Zorg eerst voor de golfballetjes, de dingen die echt het
allerbelangrijkste voor je zijn. Stel je prioriteiten. De rest
is maar zand."
Eén van de studenten steekt een vinger op en vraagt waar de twee
koppen koffie in die pot dan voor zouden moeten staan.
De professor lacht en zegt de student dat ze daarmee een heel
goede vraag heeft gesteld.
"Ik wilde daarmee alleen nog maar weer eens
aangeven en bevestigen, dat, hoe vol je leven ook mag zijn, er is altijd wel
een plekje om samen met een vriend of een dierbare een kopje
koffie te drinken."
Referenties:
-Natuurkunde.nl artikel: Granulaire stoffen (en over een zandloper)
- Marijn Sandtke en Ko van der Weele
-Natuurkunde.nl artikel: Maxwells duivel staat naast je in de file
- Marijn Sandtke en Ko van der Weele
-Natuurkunde.nl artikel: Technische Natuurkunde aan de Universiteit Twente
- Merel Leistikow
-Kennislink.nl artikel: Korrelige materialen schuiven anders dan gedacht
-Wikipedia Granular materials
-Homepage of Bob Behringer and
Behringer's Nonlinear Flow Group at Duke University
-City Swallowing Sand Dunes
-www.granular.com
-Physics of Granular Materials by
The Complex Matter and Nonlinear Physics Laboratory at Clark University
of Arshad Kudrolli
-Background article on granular materials
by the Particulate Sciences Laboratory of
Carl Wassgren
-An Introduction to Granular Physics
by the The University of Chicago Granular Physics Group
of Heinrich Jaeger
-Jaeger and Nagel, Physics of the granular state, Science 255, 1523 (1992)
-Knowlton, Carson, Klinzing, Yang, The importance of storage, transfer and collection, Chem.Eng.Prog.90(4), 44 (1994)
-Jaeger, Nagel, and Behringer, Granular solids, liquids, and gases, Rev.Mod.Phys.68(4), 1259 (1996)
-Jaeger, Nagel, and Behringer, The Physics of Granular Materials, Phys.Today 49, 32 (1996)
-Liu and Nagel, Jamming is not just cool any more, Nature 396, 6706 (1998)
-Kadanoff, Built upon sand: Theoretical ideas inspired by granular flows, Rev.Mod.Phys.71(1), 435 (1999)
-Duran, Sand, Powders and Grains, Springer-Verlag, New-York (1999)
-Mullin, Mixing and de-mixing, Science 295, 1851 (2002)
-Goldhirsch, Rapid granular flows, Annu.Rev.Fluid.Mech.35, 267 (2003)
-Van der Weele
, Spit, Mekkes, and Van der Meer,
From granular flux model to traffic flow description,
in “Traffic and Granular Flow ‘03”, S.P. Hoogendoorn, S. Luding, P.H.L. Bovy,
M. Schreckenberg, and D.E. Wolf (Eds.), pp. 569-578, Springer, Berlin (2005)
-Aranson and Tsimring, Patterns and collective behavior in granular media: Theoretical concepts, Rev.Mod.Phys.78, 641 (2006)
Granular Matter
What is granular matter?
Granular materials are grain-like materials, which can be found all around us:
-small: sand, sugar, salt, powder...
-intermediate: chocolate sprinkles, muesli, pills, coffee, candy...
-large: potatoes, cauliflowers, boulders, cars and even humans!
Granular matter can be encountered in different states: It can behave like a
-solid: sandcastle,
-liquid: hourglass,
-gas: sandstorm.
Why perform research on granular matter?
These materials seem so simple in all its phases, but the truth is that
they contain many not fully understood features.
So we can gain a lot:
Every year about 5% of the global energy budget (meaning 500 billion dollar!)
is lost due to problems with transport and handling of granular materials...
Many industries use granular materials as a primary or final product, just think
of the pharmaceutical industry (powders, pills), mining industry (coals, minerals),
agriculture (cereal), food industry (sugar, flour), construction
industry (mortar, gravel) and many, many more.
It is of enormous importance for all these different industries to completely
understand the behavior of these grain-like materials, but at the moment
most processes are still devised, operated and used solely based on experience
without any good scientific base.
At the pharmaceutical industry for example it is clear that careful handling
of powders is required when producing pills, because every pill has to contain the
same amount of effective substance. So size segregation, often
observed in granular systems, is something the pharmaceutical
industry wants to prevent.
It has been estimated that globally 10% of the energy is used by these
industries and a staggering 40% of this energy is wasted due to problems
with transport and handling of granular materials!
What kind of problems with granular materials are encountered?
-According to an estimate about 1000 silo's fail in North-America annually, like
the disastrous examples below...
-Peugeot tried to construct a mold for a engine block in a clever
way by putting sand in a box containing the model. The idea was to fill all
gaps and edges with sand by shaking the box. The result, however, was a
completely distorted model and a worthless mold. By shaking the box a strong
convection current had developed in the sand and the enormous forces exerted by this current
on the model caused it to crinkle like paper.
-Dunes move very slowly, with a maximum speed of 100 meters a year under
the most favorable circumstances. However, they can easily "stroll" onto a
road and cause a lot of trouble or create even more trouble for a city like
Nouakchott
(capital of Mauritania) by steadily swallowing the city.
-The ordinary phenomenon of traffic jams can also be brought back to
a granular problem: when a lot of particles (cars, trucks) drive along
a highway, a single braking car can cause a these particles to cluster (a common
granular effect) and that's what we call a traffic jam...
Do many researchers work on granular matter?
Yes, because the examples above show that it is of great economic importance
to understand these and other granular systems down to the very basic mechanisms.
Besides, granular materials are also very interesting from a fundamental point
of view: Like described above, little is known of the underlying physics for granular
systems and that makes granular science a relatively uncultivated area in physics.
The latter makes this subject also very appealing, because many effects you observe
in experiments are still not (fully) understood, if they have ever been observed at all.
The chances are high that you, as a researcher, are the first to report the freshly
observed phenomenon and that you get the opportunity to unravel the effect to
te smallest bits! Very stimulating!
Research on granular matter got really started in the '90s and has been booming
ever since. Although granular science is still rather young it is slowly getting
mature as can be judged from the number of articles published on the
subject "granular matter" in the last decades:
Granular life story:
If things in life don't go along as easy,
if 24 hours a day seem to be not enough,
just think of this story...
A professor was about to teach a philosophy class.
He had a number of objects in front of him.
When the class started, he took an empty jar of mayonnaise and without
saying a word he started filling it up with golf balls.
At the moment they completely filled the jar, the professor asked his
students whether the jar was full or not.
Their response was positive.
Then the professor took a box of beads and dumped it into the jar.
He shook it lightly and the beads fell down through the openings
between the golf balls.
He again asked his students whether the jar was completely filled or not.
They gave the same answer: "Yes, the jar is full now."
The professor took a box of sand next and threw it into the jar with
golf balls and beads.
Of course the sand filled all the gaps between the golf balls and beads.
Yet again the professor asked his students whether or not the jar
was full now: The students replied positive again.
From his desk the professor took two cups of coffee and poured it
into the jar with the golf balls, beads and sand.
All the coffee went into the jar.
The coffee filled the space between the sand grains.
The students started to laugh.
"Now", the professor said, "now I want you to imagine that this jar is
your own life. The jar filled with golf balls, beads, sand and
coffee, stands for the life of a human."
"The golf balls are the important things in life: your family, your
children, your faith, your health and your favorite activities.
Things that make sure your life is filled, even when there would
be nothing left on the planet but these things."
"The beads are the other important things in life. Your job,
your house, your car. The sand represents the small things important
to you."
"If you would fill up the jar with sand first, there is no space
left for the beads or the golf balls.
The same applies to your own life.
If you spent all of your time and energy on the small things, you will
never have space for the important things in life.
Focus on the things that are important for you.
Play with your children for example.
Take time for a health check from time to time.
Take your partner for dinner.
Do something you enjoy, there is always time left to clean the
house or repair the garbage can."
"Look after the golf balls first, the things that are most important
to you. Set your priorities. The rest is just sand."
One of the students raised her finger and asked what the two cups of
coffee in the jar stand for.
The professor laughs and says to the student that she just asked
a very good question.
"I just wanted to show and confirm, that, how full your life may be,
there is always a spot to have a cup of coffee with a friend or a loved
one."
References:
-Wikipedia Granular materials
-Homepage of Bob Behringer and
Behringer's Nonlinear Flow Group at Duke University
-City Swallowing Sand Dunes
-www.granular.com
-Physics of Granular Materials by
The Complex Matter and Nonlinear Physics Laboratory at Clark University
of Arshad Kudrolli
-Background article on granular materials
by the Particulate Sciences Laboratory of
Carl Wassgren
-An Introduction to Granular Physics
by the The University of Chicago Granular Physics Group
of Heinrich Jaeger
-Jaeger and Nagel, Physics of the granular state, Science 255, 1523 (1992)
-Knowlton, Carson, Klinzing, Yang, The importance of storage, transfer and collection, Chem.Eng.Prog.90(4), 44 (1994)
-Jaeger, Nagel, and Behringer, Granular solids, liquids, and gases, Rev.Mod.Phys.68(4), 1259 (1996)
-Jaeger, Nagel, and Behringer, The Physics of Granular Materials, Phys.Today 49, 32 (1996)
-Liu and Nagel, Jamming is not just cool any more, Nature 396, 6706 (1998)
-Kadanoff, Built upon sand: Theoretical ideas inspired by granular flows, Rev.Mod.Phys.71(1), 435 (1999)
-Duran, Sand, Powders and Grains, Springer-Verlag, New-York (1999)
-Mullin, Mixing and de-mixing, Science 295, 1851 (2002)
-Goldhirsch, Rapid granular flows, Annu.Rev.Fluid.Mech.35, 267 (2003)
-Van der Weele
, Spit, Mekkes, and Van der Meer,
From granular flux model to traffic flow description,
in “Traffic and Granular Flow ‘03”, S.P. Hoogendoorn, S. Luding, P.H.L. Bovy,
M. Schreckenberg, and D.E. Wolf (Eds.), pp. 569-578, Springer, Berlin (2005)
-Aranson and Tsimring, Patterns and collective behavior in granular media: Theoretical concepts, Rev.Mod.Phys.78, 641 (2006)
-Natuurkunde.nl artikel (Dutch): Granulaire stoffen (en over een zandloper)
- Marijn Sandtke en Ko van der Weele
-Natuurkunde.nl artikel (Dutch): Maxwells duivel staat naast je in de file
- Marijn Sandtke en Ko van der Weele
-Natuurkunde.nl artikel (Dutch): Technische Natuurkunde aan de Universiteit Twente
- Merel Leistikow
-Kennislink.nl artikel (Dutch): Korrelige materialen schuiven anders dan gedacht