我國科學家破解沙子流動成因

沙子既像固體，在沒有外界干擾的時候能保持靜態(tài)，形成沙丘之類的景觀；也像液體，在外力作用下能夠流動，可以用做沙漏記時。糖果、沙子、谷堆，這些身邊常見的顆粒物質(zhì)到底是一種怎樣的存在？算是固體還是液體？這不僅是小孩兒玩沙子時的靈光一現(xiàn)，也是能在《自然》雜志發(fā)表的嚴肅且重要的科學問題。

近日，《自然》雜志在線發(fā)表了上海交通大學物理與天文學院王宇杰教授團隊“玩沙子”的深刻見解：“顆粒材料流變行為類同于復雜流體。”

萬物皆流，無物常駐。王宇杰團隊首次利用CT成像，“看”清楚了顆粒物質(zhì)的微觀動力學過程。實驗發(fā)現(xiàn)顆粒體系具有和普通液體完全不同的微觀動力學，認為傳統(tǒng)意義上理解的顆粒“固體”是一種正好處在液固相邊界的臨界固體。

給顆粒做CT

沙子、大米、巧克力豆……生活中這些顆粒物質(zhì)無處不在，但是，人們對其動態(tài)行為所知始終非常有限。在理論上，由于是非平衡態(tài)的多體耗散系統(tǒng)，顆粒物質(zhì)在不同條件下會表現(xiàn)出氣、液、固態(tài)的特性，迄今還沒有一個完備的統(tǒng)計力學理論框架；在實驗上，顆粒物質(zhì)一般不透明，由于傳統(tǒng)實驗技術(shù)限制，很難觀測到其內(nèi)部的運動狀態(tài)?！犊茖W》雜志2005年曾將沙子這類顆粒物質(zhì)的非平衡態(tài)動力學理論列為亟待解決的125個重大科學問題之一。

要想窺探顆粒物質(zhì)運動的奧秘，首先就得看清楚顆粒物質(zhì)內(nèi)部運動狀態(tài)。王宇杰近年主要從事同步輻射X射線影像和軟物質(zhì)物理研究。于是，王宇杰“腦洞大開”，將顆粒物質(zhì)送進了醫(yī)院，通過CT成像進行了近千次掃描，記錄顆粒的運動。

王宇杰團隊對橢球狀的顆粒物質(zhì)施加循環(huán)的準靜態(tài)剪切應變，饋入能量使其運動，然后運用CT測量其位置與取向。這樣他們就能夠監(jiān)控每一個顆粒在空間的三維軌跡，從而確定它們的位移與旋轉(zhuǎn)隨時間的變化規(guī)律。

像固體但更像液體

由于組成顆粒物質(zhì)的單個顆粒與組成氣液固態(tài)的原子分子很相似，因此過去幾十年里，物理學家認為可以用固體、液體力學的理論來研究顆粒物質(zhì)，也就是傳統(tǒng)的硬球模型。“我們最開始一直將實驗結(jié)果局限在顆粒尺度來理解，但遇到了很大的困境。”王宇杰說。

恒河之沙，數(shù)不勝數(shù)。每一次的實驗觀測，都會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，必須統(tǒng)計分析以發(fā)現(xiàn)規(guī)律。但分析發(fā)現(xiàn)，這些實驗現(xiàn)象是當時常用的硬球模型所無法解釋的。也就是說，顆粒物質(zhì)和傳統(tǒng)意義上理想的液體和固體并不一樣。

“這種類比方式丟掉了一些重要的東西，尤其是顆粒表面粗糙度等微觀尺度對體系微觀動力學的影響。”王宇杰團隊發(fā)現(xiàn)，顆粒物質(zhì)具有多尺度現(xiàn)象，即除了粒徑等尺度外，表面也是不可忽略的一個方面，而顆粒物質(zhì)的表面并不是絕對光滑的。正是這些微小尺度決定著顆粒物質(zhì)獨特的運動特性。

“我們發(fā)現(xiàn)原來一般意義上認為的顆粒固體其實是一種處在液固邊界的臨界相，在非常小的外部微擾下就會流化，在很多時候表現(xiàn)得其實更像液體。”王宇杰說，這也很好解釋了沙子靜止時是沙丘；受到微小外部微擾就會“流動”，像沙漏。但是顆粒體系又有固體的性質(zhì)，因為顆粒體系是耗散系統(tǒng)，外部微擾的能量會快速轉(zhuǎn)移到原子層面，所以體系在微擾消失后會停止流動，恢復“固體”的形態(tài)。

小顆粒大應用

沙子的運動狀態(tài)研究，看起來只是興之所至的純物理理論研究，但事實并非如此。從糧倉貯存的米糧到堆積如山等待冶煉的礦石，從海邊堤壩的巨石到探月登陸關(guān)注的月壤……正因為顆粒物質(zhì)無所不在，才決定了其廣闊的應用背景。

顆粒物質(zhì)是很多應用學科的載體，同時也是地球上除水以外第二多被處理的工業(yè)原材料，粒料輸送是化學、食品、醫(yī)藥、冶金、建筑、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)自動化的基礎。但現(xiàn)有的工程理論主要是基于經(jīng)驗的宏觀本構(gòu)理論，對于微觀機制和機理并不十分清楚，在很多實際應用中遇到困難。王宇杰認為，“基于統(tǒng)計力學，從微觀結(jié)構(gòu)和動力學開始建立顆粒物質(zhì)體系的宏觀連續(xù)介質(zhì)力學理論框架是必然途徑。這不僅是追求科學真理的過程，也對實際應用帶來意義。”

此外，顆粒物質(zhì)也是一些地質(zhì)過程包括地震、泥石流等的實際載體。對顆粒物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和動力學的研究，有助于未來對包括地震、泥石流等自然災害的預防和控制，甚至“一帶一路”建設中遇到的海床、地基鞏固、沙漠治理等領(lǐng)域有更深刻和精準的理解。