Nieuwe beeldtechniek geeft zicht op ondergronds krachtenveld


Gepubliceerd op
5 maart 2015

Door
Wageningen UR

Droog zand stroomt gemakkelijk door je vingers. Zand gedraagt zich tegelijkertijd 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 van een nieuwe experimentele techniek, index-matching tomografie, voor het meten van deze krachten die ook een rol spelen bij grondverzakkingen, aardbevingen en een pak
hagelslag.

Controleer uw cookie-instellingen

Foto (Felice Frankel, Joshua Dijksman): Transparante deeltjes zoals gebruikt in het experiment, deels ondergedompeld in water. Rechts: dwarsdoorsnede van de stapel deeltjes zichtbaar gemaakt met een `plakje' laserlicht.

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.

Bevingen en hagelslag

Het internationale team hoopt meer fundamenteel inzicht te krijgen in fenomenen als aardverschuivingen, bodeminklinking en lawines. Daaruit kunnen bijvoorbeeld betere waarschuwingsmethodes voor bevingen worden ontwikkeld. Ook alledaagse verschijnselen zoals het blijven steken van de hagelslag
in het pak zijn hiermee te bestuderen. Resultaat is bijvoorbeeld dat de korrels sneller op de boterham belanden.

Het vakgebied van korrelige materialen bestudeert bijvoorbeeld hoe zand onder druk makkelijk vervormt tot een voetafdruk, of hoe de som van krachten op zanddeeltjes de helling van een zandhoop bepaalt. Eeuwenlang waren deze problemen slechts op basaal niveau te begrijpen. 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.

Op deze ontwikkeling speelde het interdisciplinaire team in. 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.

Computerreconstructie van het direct gemeten krachtenveld in een stapel deeltjes. Het gekleurde netwerk geeft de sterkte van de kracht tussen elkaar rakende deeltjes aan. De deeltjes zijn in blauw. Ook een originele dwarsdoorsnede (zwart-wit) is opgenomen in de reconstructie. Foto: Felice
Frankel, Joshua Dijksman Computerreconstructie van het direct gemeten krachtenveld in een stapel deeltjes. Het gekleurde netwerk geeft de sterkte van de kracht tussen elkaar rakende deeltjes aan. De deeltjes zijn in blauw. Ook een originele dwarsdoorsnede (zwart-wit) is opgenomen in de
reconstructie. Foto: Felice Frankel, Joshua Dijksman

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, op aardbevingsgebied en in het maken van producten zoals hagelslag is zo complex dat
computermodellen de enige mogelijkheid zijn om tot een beter begrip van bijvoorbeeld stromingsgedrag te komen. "Je kunt nu eenmaal geen aardbeving in een laboratorium maken", zegt Joshua Dijksman van het Laboratorium voor Fysische chemie en kolloidkunde aan Wageningen University. Het nieuwe
model staat in het tijdschrift Physical Review E van maart.

Publicaties

* Spanning the Scales of Granular Materials through Microscopic Force Imaging, N. Brodu, J. A. Dijksman and R. P. Behringer. Nature Communications 6:6361, March 2015. DOI: 10.1038/ncomms7361
* Multiple-contact discrete-element model for simulating dense granular media. Online 2 March 2015, in 1 March 2015, Physical Review E (Vol.91, No.3)

* dr. JA (Joshua) Dijksman
Contactpersoon dr. JA (Joshua) Dijksman
Contactformulier

Wageningen UR

Wageningen UR (University & Research centre) werkt binnen het domein gezonde voeding en leefomgeving aan de kwaliteit van leven

* [IMG] Onderzoekers leggen verband tussen klimaatverandering en voedselveiligheid
* [IMG] Antibiotica schaadt immuunsysteem van varken
* [IMG] Rector magnificus Martin Kropff verruilt functie voor topbaan in Mexico

Meer nieuws