ENGINEERINGNET.NL - Droog zand stroomt gemakkelijk door je vingers, waarbij het zich tegelijkertijd gedraagt als vloeistof en als vaste stof.
De vraag hoe de mysterieuze krachten tussen zanddeeltjes zich organiseren om dit tweeslachtige gedrag mogelijk te maken is nu voor een deel beantwoord.
Een internationaal team van onderzoekers, waaronder van Wageningen University, heeft aan Duke University in de VS een grote stap gezet. Zij ontwikkelden een nieuwe techniek, index-matching tomografie, voor het meten van deze krachten die ook een rol spelen bij grondverzakkingen en aardbevingen.
Index-matching tomografie combineert lasers en digitale camera’s met krachtsensoren en geavanceerde digitale beeldbewerkingstechnieken om diep in een stapel korrels te kijken en de individuele krachten tussen deeltjes ter plekke te meten. Nature Communications van 5 maart beschrijft de nieuwe techniek.
Het internationale team hoopt meer fundamenteel inzicht te krijgen in fenomenen als aardverschuivingen, het inklinken van bodems en lawines. Daaruit kunnen bijvoorbeeld betere waarschuwingsmethodes voor aardbevingen worden ontwikkeld.
De ontwikkeling van digitale camera’s en de enorme groei aan rekenkracht van computers maken het nu mogelijk de overweldigende aantallen contacten en krachten die samen een massa zand beschrijven te meten.
Nicolas Brodu (Informatica instituut Inria, Bordeaux), Joshua Dijksman (Wageningen University) en Robert Behringer van Duke University combineerden een aantal bestaande experimentele en computertechnieken.
Zo waren zij in staat om in een stapel deeltjes alle individuele krachten tussen die deeltje te meten, terwijl de berg langzaam wordt samengedrukt.
De onderzoekers gebruikten een modelsysteem van transparante, zachte bollen. De bollen zijn gemaakt van een gel en ze fluoresceren onder invloed van licht door toevoeging van een verfstof.
Een dun ‘plakje’ laserlicht kan zo gebruikt worden om een stapel bollen doorsnede-voor-doorsnede te belichten. Zo kan de structuur van de stapel, en de bollen zelf, plaatje voor plaatje worden geregistreerd met een camera. Deze driedimensionale techniek is verwant aan de medisch veel gebruikte MRI-scanner.
Het 3D-beeld dat zo wordt opgebouwd, is via computeralgoritmes te bestuderen om de positie van de bollen te meten, en om uit de kleine vervorming van de bollen de contactkrachten te berekenen.
Computeranalyses zijn hierbij essentieel, omdat er honderdduizenden plaatjes moeten worden geanalyseerd – zelfs op een computercluster duurt dit analyseproces vaak langer dan het experiment zelf.
De inzichten verkregen door index-matching tomografie leidden weer tot een beter computermodel voor het bestuderen van het gedrag van zand. Veel problemen in bijvoorbeeld de grondstoffenindustrie en op aardbevingsgebied zijn zo complex dat computermodellen de enige mogelijkheid zijn om tot een beter begrip van bijvoorbeeld stromingsgedrag te komen.
