我國科學家破解沙子流動成因

中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,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,也是能在《自然》雜誌發表的嚴肅且重要的科學問題。

 

近日,《自然》雜誌線上發表了上海交通大學物理與天文學院王宇傑教授團隊“玩沙子”的深刻見解:“顆粒材料流變行為類同於複雜流體。”

 

萬物皆流,無物常駐。王宇傑團隊首次利用CT成像,“看”清楚了顆粒物質的微觀動力學過程。實驗發現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無處不在,但是,人們對其動態行為所知始終非常有限。在理論上,由於是非平衡態的多體耗散系統,顆粒物質在不同條件下會表現出氣、液、固態的特性,迄今還沒有一個完備的統計力學理論框架;在實驗上,顆粒物質一般不透明,由於傳統實驗技術限制,很難觀測到其內部的運動狀態。《科學》雜誌2005年曾將沙子這類顆粒物質的非平衡態動力學理論列為亟待解決的125個重大科學問題之一。

 

要想窺探顆粒物質運動的奧祕,首先就得看清楚顆粒物質內部運動狀態。王宇傑近年主要從事同步輻射X射線影像和軟物質物理研究。於是,王宇傑“腦洞大開”,將顆粒物質送進了醫院,通過CT成像進行了近千次掃描,記錄顆粒的運動。

 

王宇傑團隊對橢球狀的顆粒物質施加迴圈的準靜態剪下應變,饋入能量使其運動,然後運用CT測量其位置與取向。這樣他們就能夠監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隨時間的變化規律。

 

像固體但更像液體

 

由於組成顆粒物質的單個顆粒與組成氣液固態的原子分子很相似,因此過去幾十年裡,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,也就是傳統的硬球模型。“我們最開始一直將實驗結果侷限在顆粒尺度來理解,但遇到了很大的困境。”王宇傑說。

 

恆河之沙,數不勝數。每一次的實驗觀測,都會產生海量資料,必須統計分析以發現規律。但分析發現,這些實驗現象是當時常用的硬球模型所無法解釋的。也就是說,顆粒物質和傳統意義上理想的液體和固體並不一樣。

 

“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。”王宇傑團隊發現,顆粒物質具有多尺度現象,即除了粒徑等尺度外,表面也是不可忽略的一個方面,而顆粒物質的表面並不是絕對光滑的。正是這些微小尺度決定著顆粒物質獨特的運動特性。

 

“我們發現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,在很多時候表現得其實更像液體。”王宇傑說,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,因為顆粒體系是耗散系統,外部微擾的能量會快速轉移到原子層面,所以體系在微擾消失後會停止流動,恢復“固體”的形態。

 

小顆粒大應用

 

沙子的運動狀態研究,看起來只是興之所至的純物理理論研究,但事實並非如此。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注的月壤……正因為顆粒物質無所不在,才決定了其廣闊的應用背景。

 

顆粒物質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原材料,粒料輸送是化學、食品、醫藥、冶金、建築、農業、製造業自動化的基礎。但現有的工程理論主要是基於經驗的巨集觀本構理論,對於微觀機制和機理並不十分清楚,在很多實際應用中遇到困難。王宇傑認為,“基於統計力學,從微觀結構和動力學開始建立顆粒物質體系的巨集觀連續介質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,顆粒物質也是一些地質過程包括地震、泥石流等的實際載體。對顆粒物質微觀結構和動力學的研究,有助於未來對包括地震、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、沙漠治理等領域有更深刻和精準的理解。