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Cómo solidificar arena

Estoy haciendo un proyecto de investigación donde analizamos la estructura de la arena después de cierto proceso. Para tener una mejor idea de la estructura interna de la arena, usamos diferentes colores para visualizar el movimiento de las partículas. Sin embargo, en realidad no podemos observar esa estructura ya que la arena no es una sustancia sólida. Por lo tanto, necesitamos una forma de solidificar la arena sin cambiar la estructura.

Pensamos que necesitaríamos algún tipo de líquido que podamos verter en el contenedor de arena (el contenedor tiene dimensiones de 2x1x0.2 metros) para que se solidifique. En otras palabras, ¿cómo podemos solidificar la arena?

Usar un contenedor transparente realmente no es una opción ya que nos interesa la estructura en el centro que no podemos ver... ¡a menos que usemos arena transparente! ;)

Nota: estamos utilizando arena de playa "regular".

EDITAR: He leído todas las respuestas y son geniales. Todavía no puedo aceptar ninguna respuesta ya que necesitamos decidir qué método usaremos, ¡pero se ven prometedores! ¡Comenzamos desde cero y ahora tenemos algunas ideas geniales gracias a su ayuda!

17voto

Dylan Beattie Puntos 23222

Según tus comentarios, parece que tienes algún tipo de arena coloreada y quieres inmovilizarla. Mi sugerencia sería algún tipo de matriz polimérica.

Hay múltiples posibilidades, pero una de las más fáciles es polidimetilsiloxano PDMS que es ópticamente transparente y bastante fácil de trabajar (es decir, seguro). Hay una "base" y un agente de curado que crea entrecruzamiento.

Probablemente la forma más fácil de hacerlo viene de U. Wisconsin.

Si se hace correctamente (es decir, sin burbujas de aire) deberías poder verter el PDMS, curarlo, y tener una matriz polimerizada alrededor de la arena. Luego podrías cortarlo o hacer lo que sea necesario para ver diferentes regiones.

12voto

Matthew Simoneau Puntos 2498

Los geólogos preparan perfiles de suelo para vivir. La tarea es fácil en principio - excavar un hoyo, aplicar pegamento a la pared, luego transferir la capa pegada a una hoja de tela. La práctica es realmente difícil, la receta de pegamento y la técnica de transferencia son secretos comerciales. Ver aquí (advertencia, idioma alemán): http://www.sand-abc.de/sandkorn/lackprofil/lackprofil.htm

¿Por qué no quitar capa por capa y luego tomar fotos de las secciones transversales? Eso sería más fácil que perder el tiempo con resina de fundición y cámaras de vacío. Alternativamente, pregunte en su amigable Departamento de Geología.

10voto

steveverrill Puntos 1090

He votado a favor de la idea del agua, después de todo es posible construir castillos de arena de más de 0,2 m de altura con solo agua como aglutinante. También creo que la idea de perforar, como se menciona en esa respuesta, es buena. También voté a favor del comentario sobre el congelador, aunque la expansión podría ser un problema.

Voy a sugerir una solución de gelatina caliente (o incluso gelatina de postre solo para probar). Hay varios agentes gelificantes alimentarios (pectina, etc.) Si es lo suficientemente fuerte (y no quieres que sea demasiado fuerte, porque quieres cortarlo) sería una buena opción. La gelatina es barata, y deberías poder recuperarla calentando tu arena usada y filtrando si el costo es realmente un problema.

Pienso que puede tener un problema grave con el aire atrapado en el fondo, si planea distribuir la arena usando aire y luego agregar el líquido después. Las columnas de cromatografía tienen un frit poroso en la parte inferior, que inicialmente deja salir el aire (ves el color oscurecerse cuando agregas el primer disolvente) y luego obviamente el líquido también. Una malla de alambre o plástico sobre una rejilla de plataforma probablemente funcionaría en tu caso. Por lo general, se aplica presión sobre una columna de cromatografía para empujar el disolvente a través, pero en tu caso puede resultar más fácil succionar desde abajo, si se requiere una diferencia de presión. Una conexión inferior también podría ser útil para calentar previamente el lecho con vapor.

También necesitas pensar en cómo distribuir el líquido sin perturbar la arena. Una matriz de tuberías con agujeros rociadores y/o una malla de plástico encima de la arena es probablemente la mejor manera.

EDIT 1: algunas ideas más, que si bien son más caras, te darán un punto de congelación afilado y predecible. El “sal de Glauber” (descahidrato de sulfato de sodio) se derrite a 32 °C, y el pentahidrato de tiosulfato de sodio se derrite a 48 °C. El trihidrato de acetato de sodio se derrite a 58 °C. Estos compuestos pueden ser superenfriados por debajo de su punto de fusión, luego hacer que se congelen repentinamente agregando un solo cristal para la nucleación (aunque espero que con arena alrededor se nucleen de inmediato). Los videos de esto se pueden encontrar en Youtube. Los compuestos han sido probados para el almacenamiento a medio plazo de calor solar de baja calidad para calefacción espacial, y/o se utilizan en paquetes de calor personales, ya que todo el calor se libera a la misma temperatura (el punto de fusión/congelación) cuando se enfrían.

El decahidrato de carbonato de sodio “sosa para lavar” aparentemente se derrite a 32 °C. Nunca he visto experimentos divertidos con superenfriamiento de sosa para lavar derretida, así que tal vez no se pueda superenfriar. La situación se complica por la existencia de un heptahidrato también. Sin embargo, ciertamente es barato y fácilmente disponible. Es fuertemente alcalino, por lo que tendería a captar dióxido de carbono del aire para convertirse en bicarbonato, pero en los volúmenes requeridos dudo que ocurra en la medida necesaria para producir algún cambio en las características. Los álcalis son más agresivos para la piel que los ácidos, porque convierten tus aceites naturales en jabón.

También pensé en la cera de vela, pero con las cantidades involucradas se requeriría extrema precaución para mantenerla entre su punto de fusión y su punto de inflamación.

Cualquier contacto entre sales fundidas y metales debe ser revisado cuidadosamente por corrosión. En particular, el álcali + $\ce{H2O}$ disuelve la capa de óxido protectora en aluminio, lo que lo lleva a corroerse extremadamente rápido con la evolución de gas hidrógeno.

EDIT 2: aunque el OP ha indicado ahora que la altura es de 1 m y no de 0,2 m, sigo prefiriendo la idea de gelatina, aunque probablemente no sea lo suficientemente fuerte para soportar una columna de un metro. Probablemente significaría inclinar el tanque hacia un lado y quitar el frente (que se habrá convertido en la parte superior). Es cuestión de equilibrar la fuerza de la matriz contra la facilidad de corte (que será extremadamente ardua para algunas de las sugerencias de mayor fuerza mencionadas aquí).

7voto

Alex Puntos 21

No sé qué tipo de resolución estás buscando aquí. Si quieres una estructura tridimensional real, podrías crear una tomando lonjas de la capa de arena con papel adhesivo. Agregar pegamento o epoxi a la capa de arena también perturbará la arena mientras la mantiene en su lugar.

Haz cualquier proceso necesario en la arena para llegar a su estado final, luego toma una foto de la superficie. Aplica una lámina adhesiva en la capa superior y retírala. Toma otra foto. Aplica una lámina, retira, foto, repite. Se necesitarán muchas láminas para vaciar la cama, pero si quieres una estructura fina de la arena, debería funcionar.

Otra opción sería un contenedor con paredes y fondo que puedan moverse independientemente. Imagen, desliza los lados hacia abajo 1 mm, usa un limpiador para quitar la arena sobresaliente, repite. Puede resultar difícil evitar perturbar las capas inferiores mientras se limpia la arena superior, pero el costo de consumibles es prácticamente nulo con este método. (Esta idea es básicamente lo opuesto a las impresoras 3D de lecho en polvo, por si no queda claro.)

NOTA: Una versión más barata de mi primera idea - Prepara tu cama de arena. Imagen, rocía una capa gruesa de pegamento en aerosol en la parte superior. Aplica una hoja de papel de impresora. Espera un minuto, retira. Repite. Creo que recogerías más arena con cada pasada de esta manera y no debería costar demasiado.

5voto

Rob Wells Puntos 361

el contenedor mide 2x1x0.2 metros

Supongo que quieres algo barato en este caso.

opción 1: agua. La arena fina mojada mantiene su forma. No fuertemente, pero aún así. opción 2: déjalo caer, empuja el tubo de vidrio en la arena (razonablemente ancho con paredes delgadas) opción 3: usa pegamento de silicato diluido. Funcionaría, pero tendrás problemas para secarlo sin horno.

Cualquier otra cosa es demasiado costosa para un proyecto personal divertido.

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