我國(guó)科學(xué)家破解沙子流動(dòng)成因

沙子既像固體，在沒(méi)有外界干擾的時(shí)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(dòng)，可以用做沙漏記時(shí)。糖果、沙子、谷堆，這些身邊常見(jiàn)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(shí)的靈光一現(xiàn)，也是能在《自然》雜志發(fā)表的嚴(yán)肅且重要的科學(xué)問(wèn)題。

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

萬(wàn)物皆流，無(wú)物常駐。王宇杰團(tuán)隊(duì)首次利用CT成像，“看”清楚了顆粒物質(zhì)的微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒體系具有和普通液體完全不同的微觀動(dòng)力學(xué)，認(rèn)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(wú)處不在，但是，人們對(duì)其動(dòng)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(huì)表現(xiàn)出氣、液、固態(tài)的特性，迄今還沒(méi)有一個(gè)完備的統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論框架；在實(shí)驗(yàn)上，顆粒物質(zhì)一般不透明，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)限制，很難觀測(cè)到其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。《科學(xué)》雜志2005年曾將沙子這類顆粒物質(zhì)的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)理論列為亟待解決的125個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題之一。

要想窺探顆粒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的奧秘，首先就得看清楚顆粒物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)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(kāi)”，將顆粒物質(zhì)送進(jìn)了醫(yī)院，通過(guò)CT成像進(jìn)行了近千次掃描，記錄顆粒的運(yùn)動(dòng)。

王宇杰團(tuán)隊(duì)對(duì)橢球狀的顆粒物質(zhì)施加循環(huán)的準(zhǔn)靜態(tài)剪切應(yīng)變，饋入能量使其運(yùn)動(dòng)，然后運(yùn)用CT測(cè)量其位置與取向。這樣他們就能夠監(jiān)控每一個(gè)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(shí)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(gè)顆粒與組成氣液固態(tài)的原子分子很相似，因此過(guò)去幾十年里，物理學(xué)家認(rèn)為可以用固體、液體力學(xué)的理論來(lái)研究顆粒物質(zhì)，也就是傳統(tǒng)的硬球模型。“我們最開(kāi)始一直將實(shí)驗(yàn)結(jié)果局限在顆粒尺度來(lái)理解，但遇到了很大的困境。”王宇杰說(shuō)。

恒河之沙，數(shù)不勝數(shù)。每一次的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，都會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，必須統(tǒng)計(jì)分析以發(fā)現(xiàn)規(guī)律。但分析發(fā)現(xiàn)，這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是當(dāng)時(shí)常用的硬球模型所無(wú)法解釋的。也就是說(shuō)，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(duì)體系微觀動(dòng)力學(xué)的影響。”王宇杰團(tuán)隊(duì)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(gè)方面，而顆粒物質(zhì)的表面并不是絕對(duì)光滑的。正是這些微小尺度決定著顆粒物質(zhì)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特性。

“我們發(fā)現(xiàn)原來(lái)一般意義上認(rèn)為的顆粒固體其實(shí)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(huì)流化，在很多時(shí)候表現(xiàn)得其實(shí)更像液體。”王宇杰說(shuō)，這也很好解釋了沙子靜止時(shí)是沙丘；受到微小外部微擾就會(huì)“流動(dòng)”，像沙漏。但是顆粒體系又有固體的性質(zhì)，因?yàn)轭w粒體系是耗散系統(tǒng)，外部微擾的能量會(huì)快速轉(zhuǎn)移到原子層面，所以體系在微擾消失后會(huì)停止流動(dòng)，恢復(fù)“固體”的形態(tài)。

小顆粒大應(yīng)用

沙子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究，看起來(lái)只是興之所至的純物理理論研究，但事實(shí)并非如此。從糧倉(cāng)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?yàn)轭w粒物質(zhì)無(wú)所不在，才決定了其廣闊的應(yīng)用背景。

顆粒物質(zhì)是很多應(yīng)用學(xué)科的載體，同時(shí)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(xué)、食品、醫(yī)藥、冶金、建筑、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。但現(xiàn)有的工程理論主要是基于經(jīng)驗(yàn)的宏觀本構(gòu)理論，對(duì)于微觀機(jī)制和機(jī)理并不十分清楚，在很多實(shí)際應(yīng)用中遇到困難。王宇杰認(rèn)為，“基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)，從微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)開(kāi)始建立顆粒物質(zhì)體系的宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論框架是必然途徑。這不僅是追求科學(xué)真理的過(guò)程，也對(duì)實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)意義。”

此外，顆粒物質(zhì)也是一些地質(zhì)過(guò)程包括地震、泥石流等的實(shí)際載體。對(duì)顆粒物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的研究，有助于未來(lái)對(duì)包括地震、泥石流等自然災(zāi)害的預(yù)防和控制，甚至“一帶一路”建設(shè)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(zhǔn)的理解。