Material butiran
Material butiran adalah bahan atau material yang terdiri dari butiran-butiran bahan lain yang lebih kecil. Contoh sederhana dari material butiran adalah pasir, kacang-kacangan (bijinya), biji-bijian, tepung, dan kelereng. Material butiran ini termasuk penting karena dia menunjukkan sifat-sifat lain yang kadang dimiliki hanya oleh padatan, cairan atau gas.
Tidaklah berlebihan apabila bahkan sampai ada yang mengusulkan bahwa material butiran dapat dikatakan sebagai suatu fase tersendiri dari wujud zat, seperti terlihat dalam gambar berikut ini (A: padat- memiliki bentuk sendiri, B: cair- memiliki tinggi yang sama, C: gas- memenuhi wadahnya, dan D: butiran- bergantung asupan energi).
Perlu dicatat bahwa yang dimaksud dengan wujud adalah wujud atau sifat secara keseluruhan, karena pembentuk material butiran tetap berwujud padat, akan tetapi wujud mereka secara kelompoklah yang dapat berubah-ubah antara padat, cair dan gas.
Salah satu ciri utama dari media butiran adalah untuk bertahan dalam fase gas atau cairan, perlu diasupkan energi secara terus-menerus, atau dapat dikatakan bahwa material butiran bersifat amat disipatif. Apabila tidak diasupkan energi, maka umumnya berada dalam fase padat atau kritis padat.
Hal yang menarik dari material jenis ini, selain fasenya yang dapat berubah-ubah sesuai dengan kondisi lingkungannya (perubahan fase ini tidak mengubah fase butiran), adalah munculnya banyak fenomena yang belum dapat dirumuskan oleh ilmu fisika yang ada, misalnya saja dengan Efek Kacang Brasil (Brazil Nut Effect) dan Kebalikan Efek Kacang Brasil (Reverse Brazil Nut Effect), osilasi, avalansi, segregasi dan turbulensi.
Efek Kacang Brasil: campuran dua buah butiran berbeda ukuran yang diasup energi dari luar berupa vibrasi akan membuat terjadinya pemisahan antara kedua butiran, butiran besar di atas dan butiran besar di bawah, dan hal ini tidak tergantung dari massa satuan kedua butiran tersebut. Kebalikan Efek Kacang Brasil: kebalikan dari Efek Kacang Brasil, dimana butiran
yang lebih kecil akan berada di atas dan yang lebih besar di bawah. Avalansi: dalam suatu tumpukan material butiran yang berfase padat, ia akan dapat stabil, tetapi apabila tumpukan tersebut terus dipertinggi, suatu saat ia akan meluruh dan kembali stabil. Model ini dapat dikaitkan dengan gejala gempa bumi tektonik dan tanah longsor. Segregasi: baik dengan
memberikan asupan energi berupa vibrasi atau rotasi, campuran butiran-butiran yang berbeda ukuran dapat terpisahkan dan membentuk pola-pola tertentu. Bahkan telah diamati terdapat soliton. Osilasi: pertukaran antara keadaan segregasi dan tercampur. Salah satu fenomena osilasi diperoleh dengan membagi wadah osilasi ke dalam dua buah ruang yang
identik. Turbulensi: dalam aliran material butiran yang memiliki Bilangan Reynolds yang berbeda dengan fluida, dapat terjadi turbulensi dengan alasan yang berbeda. Difusi terbalik: umumnya gas atau cairan akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah dengan konsentrasi rendah, akan tetapi hal ini selain dapat pula terjadi pada material butiran, dapat juga berlaku kebalikannya,
yaitu butiran dapat memiliki kecenderungan untuk berkumpul atau dari konsentrasi rendah berpindah ke daerah berkonsetrasi tinggi.
Efek kacang Brasil memiliki suatu hal yang menarik karena pada awalnya sulit untuk dipercaya bahwa apabila dua butiran yang berbeda ukuran dicampurkan dan kemudian digetarkan, maka butiran-butiran yang lebih besar dan berat akan berada di atas, sedangkan yang lebih kecil akan berada di bawah. Hal ini mula-mula diketahui oleh para petani yang mengumpulkan hasil
panennya. Dan kemudian teramati pula pada kotak sereal (kacang Brasil) dimana sebelumnya di pabrik, kacang-kacang tersebut tercampur merata, akan tetapi setelah 'digetarkan' secara tak sengaja dalam proses transportasi, saat dibuka, telah didapatkan terpisah. Kemudian para ahli mulai mengadakan eksperimen untuk mengamati fenomena ini.
Sebuah eksperimen mengenai efek ini pernah dilakukan oleh Chippla Vandu, Jürg Ellenberger dan R. Krishna dari Van't Hoff Institute for Molecular Sciences di Universitas Amsterdam.
Kebalikan efek kacang Brasil ditunjukkan oleh Breu et. al. (Phys. Rev. Lett. 90, 014302 (2003)). Menurutnya, kedua efek ini dapat diperoleh.
Tampak pada bagian a: campuran dari butiran kaca berwarna (berdiameter 8 mm) dengan butiran polipropilen (polypropylnene) (berdiameter 15 mm), dan pada bagian b: campuran dari butiran kuningan (berdiameter 10 mm) dengan butiran kaca (berdiameter 4 mm). Bagian a menunjukkan efek kacang Brazil dan bagian b menunjukkan efek kebalikannya.
Lalu apa yang menentukan suatu campuran akan menghasilkan efek kacang Brasil atau kebalikannya? Dengan keahlian Hong et. al (Phys. Rev. Lett. 86, 3423-3426 (2001)) dan Breu (Hong menggunakan simulasi dinamika molekular dan Hong melakukan percobaan) keduanya menunjukkan, dalam batas-batas parameter fisis tertentu, bahwa terdapat hubungan antara massa dan diameter butiran, yang menentukan
apakah suatu campuran akan bersifat efek Kacang Brasil atau kebalikannya saat dikenakan vibrasi. Syarat yang dimaksud adalah
(d A d B) D  1  m A m B displaystyle left (frac d_Ad_Bright)D-1approx frac m_Am_B
dimana d menyatakan diameter, m menyatakan massa, D menyatakan dimensi (2 atau 3) dan A serta B menyatakan masing-masing jenis butiran dalam campuran. Apabila dibuat suatu ruang parameter dua dimensi, dimana sumbu-y untuk d A/d B displaystyle d_A/d_B dan sumbu-x untuk m A/m B displaystyle m_A/m_B, maka garis y = x memisahkan ruang efek
kacang Brasil dan kebalikannya. Ruang sebelah atas untuk efek kacang Brasil (EKB) dan ruang sebelah bawah untuk kebalikan efek kacang Brasil (KEKB).
Avalansi ada suatu fenomena material butiran dimana bersifat sebagai padatan yang diam akan tetapi apabila tercapai suatu keadaan kritis maka akan terjadi perubahan yang tiba-tiba sehingga konfigurasi material butiran berubah untuk kemudian kembali stabil dan diam seperti padatan. Saat terjadi perubahan tersebut dapat dikatakan material butiran bersifat sebagai cairan, walau hanya sesaat. Contoh miniatur dari fenomena ini adalah jam pasir.
Adalah karena sifat avalansi material butiran maka jam pasir dapat digunakan untuk pengukur waktu, tidak seperti cairan yang lajunya bergantung jumlah cairan di atasnya, untuk material butiran (dalam hal ini pasir halus) laju jatuhnya bernilai tetap.
Jamming adalah suatu peristiwa dimana terjadi perubahan konfigurasi butiran-butiran secara tiba-tiba. Dalam fisika analogi dengan jamming adalah peristiwa transisi fase, misalnya perubahan air dari cair menjadi gas atau sebaliknya. Pada material butiran, peristiwa ini berkaitan dengan energi yang diberikan dan energi yang dapat digunakan sistem untuk mengadakan perubahan. Pada peristiwa
kondensasi misalnya, ada suatu ambang energi kritis, dimana di bawah ambang ini material butiran akan bersifat padatan, dan di atasnya bersifat seperti gas. Contoh lain adalah pada avalansi, yang dalam hal ini perubahan antara fase padat dan cair.
Material butiran dapat menunjukkan bahwa suatu ekperimen dalam pemikiran (thought experiment/Gedankenexperiment) yang dikenal sebagai Iblis Maxwell (Maxwell's Demon) dapat terealisasi dalam simulasi, sebagaimana dilakukan oleh Jens Eggers (Phys. Rev. Lett. 83, 5322-5325 (1999)), untuk mendukung percobaan yang ditunjukkan oleh H. J. Schlichting dan V. Nordmeier (Math. Naturwiss. Unterr. 49, 323 (1996)).
Dalam percobaan ini digunakan sebuah kotak dengan luas alas 12cm2 dan tinggi 20 cm yang diletakkan di atas sebuah penggetar vertikal dan diisi oleh 100 buah butiran plastik dengan ukuran garis tengah 1 mm. Celah dibuat pada ketinggian 2.3 cm. Pada kondisi penggetar dengan tenaga maksimum yaitu amplitudo 0.3 cm dan frekuensi 50 Hz, partikel terdistribusi merata pada kedua ruang