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Combined 4D experimental grain-scale characterisation of grain-strains, force transfer and kinematics in natural granular material (sand) under load

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Il ruolo delle microstrutture nei materiali granulari

I materiali granulari, come ad esempio la sabbia, sono dei sistemi complessi all’interno dei quali i singoli granelli di sabbia si comportano e interagiscono collettivamente e in modi complicati. Un’iniziativa finanziata dall’UE ha studiato il loro comportamento meccanico tramite esperimenti avanzati che prevedono la tomografia e la diffrazione di raggi X 3D.

Ricerca di base

Il progetto GRANULAR MECHANICS (Combined 4D experimental grain-scale characterisation of grain-strains, force transfer and kinematics in natural granular material (sand) under load) ha studiato il ruolo della microstruttura e dei processi microstrutturali coinvolti nel comportamento meccanico dei materiali granulari come la sabbia. Una migliore comprensione quantificata dei materiali granulari aiuterà nello sviluppo e nella calibrazione di tecniche avanzate teoriche e numeriche per modellare la loro meccanica. Gli scienziati hanno quindi usato nuovi esperimenti, analisi dei dati ed elaborazione delle immagini 3D per misurare simultaneamente cinematica delle particelle, evoluzione strutturale, trasferimento di forza ed elasticità nella sabbia durante il carico meccanico. La ricerca si è concentrata sullo sviluppo di nuovi metodi per quantificare simultaneamente la cinematica e deformazione interna di tutti i singoli granelli di sabbia, con esempi contenenti molti granelli durante la deformazione. La tomografia a raggi X e l’analisi delle immagini ha fornito la cinematica granulare, mentre la difrazione di raggi X 3D (3DXRD), sviluppata per lo studio dei metalli, è stata adattata per misurare le deformazioni del lattice cristallografico in tutti i singoli granelli di sabbia (cristalli di quarzo). Combinando la 3DXRD con imaging tomografico a raggi X e analisi delle immagini digitali 3D, i ricercatori hanno ottenuto, per la prima volta, la cinematica misurata del granello e le trasmissioni desunte di forza all’interno di materiali duri e opachi. Queste misurazioni sono state collegate al comportamento macroscopico e a proprietà come ad esempio la risposta sforzo-deformazione, la rigidità del campione e la configurazione statistica del sistema. Il progetto è stato un importante passo in avanti vero una migliore comprensione della meccanica granulare dalla scala del reticolo cristallino dei singoli granelli di sabbia, fino alle interazioni tra granelli e alla formazione di strutture per il trasferimento di forza. Queste strutture, note come catene di forza, possono controllare rigidità e cedimenti su scale meso e macro. I risultati di GRANULAR MECHANICS aiuteranno gli scienziati a sviluppare modelli migliori della meccanica dei materiali granulari. Il suo lavoro innovativo porterà benefici a settori molto diversi, che vanno dal trattamento della polvere industriale alla fabbricazione delle pillole farmaceutiche, fino alla scienza alimentare. Esso può persino aiutare a prevedere il comportamento del terreno nei siti di atterraggio lunari e marziani.

Parole chiave

Materiali granulari, sabbia, GRANULAR MECHANICS, trasferimento forza, 3DXRD

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