[上海科技报]交大教授《Nature》发文探寻沙子背后玄机[图]
颗粒物质如沙土、粉末等在生活中十分常见，但是由于其具有多物理机制和多尺度结构层次的特点，既像固体，又像液体，人类对其动态行为的规律知之甚少，一般的力学和凝聚态物理对其许多现象较难作出很好的解释。因此，颗粒物质成为物理和力学研究的前沿领域。
中国科学家最近在此领域的研究取得重大进展。近日，国际著名学术期刊《Nature》在线发表了上海交通大学物理与天文学院王宇杰教授团队的研究成果 “Granular materials flow like complex fluids”（颗粒材料流变行为类同于复杂流体）。
该团队借助CT成像技术对准静态循环剪切的三维颗粒系统的微观动力学进行深入研究。在微观粒径尺度上，第一次得到了长达三个时间尺度的微观动力学过程。该团队的实验发现颗粒体系具有和传统的液体完全不同的微观动力学，体现了“热体系”和“摩擦体系”的本质不同，但同时这种动力学也表现出非常强的普适性，可以被理解为颗粒体系都遵从的一种新的普适的微观动力学。上述现象的核心是颗粒物质具有多尺度现象，而这种多尺度现象也导致我们传统意义上理解的颗粒“固体”成为一种正好处在液固相边界的临界固体：通常在重力作用下保持固体状态，而一旦受到微小的外部微扰就会出现结构弛豫，表现出流体的特性。
亟待破解的重大科学问题
可以说，颗粒物质在日常生活中无处不在。从小朋友喜欢吃的糖果到治病救人的药物胶囊里的小颗粒，从粮仓贮存的米粮到堆积如山等待冶炼的矿石，从海边堤坝的巨石到探月登陆关注的月壤……
颗粒物质就是由大量具有宏观大小的粒子汇聚成的离散体系。它在矿业、农业、化工、医药和建筑业等很多行业中都有重要的应用，是地球上除水以外第二多被处理的工业原材料，发达国家用在颗粒物质处理上的花费占了国民生产总值的相当一部分。此外，颗粒物质也是一些地质过程包括地震、泥石流等的实际载体。
人类对颗粒物质其实早有关注。陆游写过“凉州四面皆沙碛，风吹沙平马无迹”。大漠中绵延起伏的沙丘，既能在风平之时保持固态形貌，又能在狂风中流动。不仅如此，充满智慧的古人，还根据沙粒兼备的固液性质做成沙漏，记录时间的流逝。 但是，相对于水，我们对颗粒物质的理解还远远不够。
“由于粒子间的非弹性碰撞，颗粒体系是多体耗散的非平衡态体系。颗粒物质在不同条件下会表现出气、液、固态。但是其液固态性质都与牛顿流体，弹性固体等连续介质体系有着显著的区别。”王宇杰教授介绍道，“迄今我们还没有一个完备的颗粒物质的理论框架。”
诺贝尔奖获得者法国De Gennes教授在1999年指出，“我们对于颗粒这种耗散的非平衡态体系的每一件事都尚待理解，整体认知水平就如同上世纪三十年代我们对固体物理的理解”。Science杂志在2005年将颗粒物质的非平衡态动力学理论列为亟待解决的125个重大科学问题之一。
新的普适的微观动力学
此次对颗粒物质研究取得的重大突破颠覆了人们的传统认知。王宇杰团队的研究显示，原来一般意义上认为的颗粒固体，其实是一种处在液固边界的临界相，在非常小的外部微扰下就会流化，在很多时候表现得其实更像液体。
王宇杰表示，过去几十年，物理学家将颗粒体系在有大量能量馈入下形成的气态类似于硬球理想气体进行研究，取得很大成功。后来又试图将颗粒固体类比于发生了玻璃化转变或者阻塞相变(jamming transition)的硬球液体。现在看来这种类比方式可能丢掉了一些重要的东西，尤其是颗粒表面粗糙度等微观尺度对体系微观动力学的影响。
实际上，该团队最开始一直将实验结果局限在颗粒尺度来理解，也就是传统的硬球模型，因此遇上了很大的困境。直到他们意识到颗粒并不是像原子分子一样的完美地硬球，而是具有更小微观尺度的多尺度体系，这些微小尺度会起到重要的影响，才豁然开朗。
他们将CT成像技术应用到受到循环剪切的三维颗粒系统的微观动力学研究上，通过准静态的循环剪切来驱动颗粒体系，利用近千次CT成像原位跟踪体系的结构演化。在微观粒径尺度上，第一次得到了长达三个时间尺度的微观动力学过程。
通过数据分析，发现颗粒系统并没有发现普通流体在接近玻璃化转变时在扩散曲线上出现一个平台区的“笼效应”（出现“笼效应”后结构会在很长时间不再弛豫），而是表现出简单扩散运动（结构类似于液体一样连续弛豫）；与此同时，颗粒在不同时间的位移分布也不符合普通液体的高斯分布，而是满足具有高斯的核和指数尾部的Gumbel分布（表明位移是由普通的正常扩散和少量比较大的位移分布两种弛豫过程组成的）；但是和普通液体的高斯分布类似，试验中找到的Gumbel分布与循环剪切幅度及探究的时间尺度都无关，表明可能是颗粒物质体系的一种普适性规律。
王宇杰表示理解上述现象的核心在于认识到颗粒物质具有多尺度现象。颗粒物质和我们熟悉的原子分子体系不同，一般不是绝对光滑的，体系除了颗粒粒径尺度外还有表面尺度（表面粗糙度），这也是导致摩擦的根源。这也是为什么原来大家觉得颗粒“固体”类似于分子无序体系，应该具有屈服应变，而我们实验上发现并没有的原因 -- 颗粒体系在非常微小的扰动时可以通过表面粗糙的微小尺度逐渐实现结构弛豫而流化，而不是类似于光滑体系一样必须在外部微扰足够大时才能出现结构弛豫。
研究还发现，颗粒体系又有固体的性质，因为颗粒体系是耗散系统，结构弛豫产生的能量会快速转移到原子层面，所以体系在微扰消失后会恢复“固体”刚性而不会出现突变式的流化现象。最终颗粒体系会表现出在微扰下一方面会维持固体的骨架，同时内部结构又会像液体一样连续演化的临界固体特性。 这些研究发现不仅在理论上取得突破，而且对应用也有重要作用。王宇杰表示，颗粒物质是很多应用学科的载体。但现有的工程理论主要是基于经验的宏观本构理论，缺少微观机制和机理，在很多实际应用中遇到了很大的困难。因此借鉴学科历史的发展途径，基于统计力学，从微观结构和动力学开始建立颗粒物质体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径，具有非常重要的意义。这项工作对包括地震、泥石流、山体滑坡研究在内的应用学科研究也会产生很大潜在的影响。颗粒物质同时还与我国“一带一路”的建设息息相关。“一带一路”是二十一世纪我国一项长期、复杂和艰巨的任务，它亟需科技创新支撑，涉及到人类活动与地球环境互动中的海洋和脆弱陆域重大工程建设与安全问题，这些问题的解决，不仅依赖于目前以经验为主的工程方法和认知，还需要我们对海床、沙漠、地基与滑坡等颗粒物质的物理与力学性质及演变规律有更深入的理解。颗粒物质的行为也体现了“万物皆流，无物常驻”。
来源：《上海科技报》 2017.11.09