Wetenschap - 9 maart 2015

Nieuwe techniek om zand te begrijpen

tekst:
Roelof Kleis

Welke krachten spelen er in een bergje zand? Een simpele vraag, maar heel moeilijk te beantwoorden. Joshua Dijksman en collega’s zijn er in geslaagd dat krachtenspel te ontrafelen en in beeld te brengen. Tot op de korrel nauwkeurig.

Letterlijk in een zandhoop kijken is lastig. Maar dat hoeft ook helemaal niet. Dijksman en collega’s van Duke University in Durham (VS) gebruikten een model voor zand: een doorzichtig vat met zachte doorschijnende bolletjes gel. De gelbollen zitten in een oplossing met dezelfde dichtheid en lichtbrekend vermogen. Aan de bollen is een verfstof toegevoegd, zodat ze fluorescerend oplichten als er laserlicht opvalt.

Een bewegend laagje laserlicht doet vervolgens de truuk. Het laagje licht beschijnt telkens een dwarsdoorsnede van het vat met de bolletjes. Het fluorescentielicht  dat dit oplevert, wordt op camera vastgelegd. Al die dwarsdoorsnedes opgeteld geven –als een soort MRI-scan- een gedetailleerd beeld van hoe de bollen zich onderling verhouden. Dat wil zeggen: computers met veel rekenkracht zetten die informatie om in een driedimensionaal beeld. Plaatjes die bijvoorbeeld laten zien hoe dicht de pakking is, hoeveel contacten er tussen de bollen zijn en hoe elkaar rakende bollen van vorm veranderen.  

bodru_Page_03_Image_0001.jpg

Maar het blijft niet bij beeld. Ook de grootte van alle onderlinge krachten tussen de bollen zijn op deze manier in kaart te brengen. Wat gebeurt er bijvoorbeeld als er druk op bollen wordt uitgeoefend, lees: als je op zand gaat staan? Voor het eerst, zegt Dijksman, zijn dergelijke microscopische krachten te meten en in verband te brengen met de uitwendige opgelegde kracht. En het resultaat is verrassend. De bollen vervormen minder dan je zou verwachten op basis van de uitwendig opgelegde druk. Dijksman: ‘Je verwacht een lineair verband tussen de lokale vervorming en de globale compressie. Maar dat is dus niet zo.’

De vraag is natuurlijk waarom dat zo is. Maar dat is volgens Dijksman moeilijk te zeggen. ‘De mechanica van deze wanordelijke deeltjessystemen is nog niet goed begrepen. Dat is ook een van de redenen om dit soort onderzoek te doen.’ Naast fundamenteel inzicht in fysische processen levert de nieuwe techniek volgens Dijksman ook betere modellen op voor het bestuderen van het gedrag van dit soort korrelige systemen. En dat gaat veel verder dan het begrijpen van zand. Het draagt ook bij aan een beter begrip van verschijnselen als aardverschuivingen, lawines en het inklinken van de bodem.

 



Re:ageer