科學也可以如此靠近

上海交大學者顛覆對顆粒材料的認知:液固邊界的臨界相


2018年1月18日06時 今日科學 Science
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左三為王宇傑教授 資料圖 中國科學家在顆粒物質領域的研究取得重大進展。上海交通大學物理與天文學院王宇傑教授領銜團隊研究發現,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。

王宇傑實驗室二維顆粒震動實驗 新民晚報記者 易蓉 攝 研究成果「顆粒材料流變行為類同於複雜流體」在國際著名學術期刊《自然》在線發表。顆粒物質的行為也體現了「萬物皆流,無物常駐」,突破了人們對顆粒物質的傳統認知。

科研團隊藉助CT成像技術對準靜態循環剪切的三維顆粒系統的微觀動力學進行深入研究。在微觀粒徑尺度上,第一次得到了長達三個時間尺度的微觀動力學過程。實驗發現顆粒體系具有和傳統的液體完全不同的微觀動力學,體現了「熱體系」和「摩擦體系」的本質不同,但同時這種動力學也表現出非常強的普適性,可以被理解為顆粒體系都遵從的一種新的普適的微觀動力學。上述現象的核心是顆粒物質具有多尺度現象,而這種多尺度現象也導致我們傳統意義上理解的顆粒「固體」成為一種正好處在液固相邊界的臨界固體:通常在重力作用下保持固體狀態,而一旦受到微小的外部微擾就會出現結構弛豫,表現出流體的特性。

循環剪切試驗裝置 新民晚報首席記者 孫中欽 攝

顆粒物質就是由大量具有宏觀大小的粒子匯聚成的離散體系。「由於粒子間的非彈性碰撞,顆粒體系是多體耗散的非平衡態體系。顆粒物質在不同條件下會表現出氣、液、固態。但是其液固態性質都與牛頓流體、彈性固體等連續介質體系有著顯著的區別。」王宇傑介紹,「迄今我們還沒有一個完備的顆粒物質的理論框架。」

研究還發現,顆粒體系又有固體的性質,因為顆粒體系是耗散系統,結構弛豫產生的能量會快速轉移到原子層面,所以體系在微擾消失後會恢復「固體」剛性而不會出現突變式的流化現象。最終顆粒體系會表現出在微擾下既會維持固體的骨架,同時內部結構又會像液體一樣連續演化的臨界固體特性。

顆粒物理研究屬於前沿科學研究 新民晚報記者 易蓉 攝研究發現不僅在理論上取得突破,而且具有很大的應用價值。顆粒物質在礦業、農業、化工、醫藥和建築業等很多行業中都有重要的應用,是地球上除水以外第二多被處理的工業原材料。此外,這項工作對包括地震、泥石流、山體滑坡研究在內的應用學科研究也會產生重要潛在影響。

來源:新華社


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