笔者国地文学家揭穿颗粒物质的专断玄机ca88手机

日期:2019-08-15编辑作者:ca88手机版登录

沙子既像固体,在没有外界干扰的时候能保持静态,形成沙丘之类的景观;也像液体,在外力作用下能够流动,可以用做沙漏记时。糖果、沙子、谷堆,这些身边常见的颗粒物质到底是一种怎样的存在?算是固体还是液体?这不仅是小孩儿玩沙子时的灵光一现,也是能在《自然》杂志发表的严肃且重要的科学问题。

上海交通大学物理与天文学院教授王宇杰团队研究发现,“颗粒材料流变行为类同于复杂流体”,颠覆了人们长期以来的传统认知,揭秘颗粒物质的“临界固体”本质。相关研究成果近日在线发表于《自然》杂志。

近日,Physical Review Letters(物理评论快报)在线发表了上海交通大学物理与天文学院和自然科学研究院张洁教授研究组关于颗粒物质中能量涨落的实验进展。该论文被编辑遴选为Editors’ Suggestion在APS PRL的官网主页作为亮点进行了宣传和推送( 他们发现对于颗粒物质这种高度耗散的非平衡态系统,在外界加载的剪切作用下,体系内部的弹性能量涨落具有新奇的随机性和统计规律(图a),与体系内部微观上的塑性行为截然不同(图b)。这种出乎意料的反常行为与一般的非晶态物质完全不同,这对于人们理解颗粒物质这种特殊体系的塑性形变具有新的突破,并且对于修正之前已有的连续介质模型,平均场模型或者探索新的统计理论都有一定的指导意义。

近日,《自然》杂志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“玩沙子”的深刻见解:“颗粒材料流变行为类同于复杂流体。”

颗粒物质如沙土、粉末等在生活中十分常见,但人类对其动态行为的规律知之甚少。因此,颗粒物质成为物理和力学研究的前沿领域。

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万物皆流,无物常驻。王宇杰团队首次利用CT成像,“看”清楚了颗粒物质的微观动力学过程。实验发现颗粒体系具有和普通液体完全不同的微观动力学,认为传统意义上理解的颗粒“固体”是一种正好处在液固相边界的临界固体。

“相对于水,我们对颗粒物质的理解还远远不够。”王宇杰告诉《中国科学报》记者,“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。迄今我们还没有一个完备的颗粒物质的理论框架。”

图a: 体系内部能量的涨落; 图b: 微观塑性的分布

给颗粒做CT

王宇杰团队借助CT成像技术,对三维颗粒系统的微观动力学进行深入研究。在微观粒径的尺度上,第一次得到了长达3个时间尺度的微观动力学过程。实验发现,颗粒物质具有多尺度现象,传统意义上理解的颗粒“固体”,事实上是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。“也就是说,在非常小的外部微扰下就会流化,更多时候表现得像液体”。

进一步的实验统计发现,这种能量涨落的概率分布类似于热力学平衡态系统的Boltzmann形式的指数分布。基于此,作者引入软玻璃态物质的流变模型,通过能量的涨落定义出了一个有效温度X,这个有效温度随外界剪切应变的演化(图c)揭示了:

沙子、大米、巧克力豆……生活中这些颗粒物质无处不在,但是,人们对其动态行为所知始终非常有限。在理论上,由于是非平衡态的多体耗散系统,颗粒物质在不同条件下会表现出气、液、固态的特性,迄今还没有一个完备的统计力学理论框架;在实验上,颗粒物质一般不透明,由于传统实验技术限制,很难观测到其内部的运动状态。《科学》杂志2005年曾将沙子这类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。

值得注意的是,颗粒物质和原子分子体系不同,一般不是绝对光滑的,除了颗粒粒径尺度外,表面尺度也是导致摩擦的根源。上海交大自然科学研究院特别研究员张洁解释,尽管原子与颗粒物质的尺度相差几千万倍,我们仍然应当考虑介于原子与颗粒尺度之间的特殊尺度,这与它们各自的表面粗糙度有关,对普适的微观动力学产生深远学术影响。

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要想窥探颗粒物质运动的奥秘,首先就得看清楚颗粒物质内部运动状态。王宇杰近年主要从事同步辐射X射线影像和软物质物理研究。于是,王宇杰“脑洞大开”,将颗粒物质送进了医院,通过CT成像进行了近千次扫描,记录颗粒的运动。

王宇杰表示,这项研究对地震、泥石流、山体滑坡等应用学科研究会产生很大的潜在影响,也需要人们对海床、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。

图c:有效温度随剪切应变的演化;对比于体系宏观应力演化(插图)

王宇杰团队对椭球状的颗粒物质施加循环的准静态剪切应变,馈入能量使其运动,然后运用CT测量其位置与取向。这样他们就能够监控每一个颗粒在空间的三维轨迹,从而确定它们的位移与旋转随时间的变化规律。

颗粒固体的宏观塑性行为可以理解为从一个深度老化的玻璃态逐渐被激发到一个类似于玻璃化转变的处于液固边界的临界态——这就巧妙的把系统微观上的动力学行为和体系宏观的塑性行为联系了起来。这个结果暗示着,具有摩擦力和力链微结构,高度耗散的颗粒固体在塑性形变的过程中,其相空间的动力学演化结构是普适的,类似于传统自旋玻璃,热力学玻璃态物质(如金属玻璃)。正如审稿人指出“这项工作的发现令人非常兴奋,因为它将进一步激发这个研究方向更多的工作”!

像固体但更像液体

论文的第一作者为物理系博士生郑杰,孙爱乐,合作者还包括王宇杰教授,通讯作者为张洁教授。本工作得到了以下国家自然科学基金的资助(No.11474196 and No.11774221)。

由于组成颗粒物质的单个颗粒与组成气液固态的原子分子很相似,因此过去几十年里,物理学家认为可以用固体、液体力学的理论来研究颗粒物质,也就是传统的硬球模型。“我们最开始一直将实验结果局限在颗粒尺度来理解,但遇到了很大的困境。”王宇杰说。

论文链接:

恒河之沙,数不胜数。每一次的实验观测,都会产生海量数据,必须统计分析以发现规律。但分析发现,这些实验现象是当时常用的硬球模型所无法解释的。也就是说,颗粒物质和传统意义上理想的液体和固体并不一样。

“这种类比方式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。”王宇杰团队发现,颗粒物质具有多尺度现象,即除了粒径等尺度外,表面也是不可忽略的一个方面,而颗粒物质的表面并不是绝对光滑的。正是这些微小尺度决定着颗粒物质独特的运动特性。

ca88手机版会员登录,“我们发现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。”王宇杰说,这也很好解释了沙子静止时是沙丘;受到微小外部微扰就会“流动”,像沙漏。但是颗粒体系又有固体的性质,因为颗粒体系是耗散系统,外部微扰的能量会快速转移到原子层面,所以体系在微扰消失后会停止流动,恢复“固体”的形态。

小颗粒大应用

沙子的运动状态研究,看起来只是兴之所至的纯物理理论研究,但事实并非如此。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……正因为颗粒物质无所不在,才决定了其广阔的应用背景。

颗粒物质是很多应用学科的载体,同时也是地球上除水以外第二多被处理的工业原材料,粒料输送是化学、食品、医药、冶金、建筑、农业、制造业自动化的基础。但现有的工程理论主要是基于经验的宏观本构理论,对于微观机制和机理并不十分清楚,在很多实际应用中遇到困难。王宇杰认为,“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。这不仅是追求科学真理的过程,也对实际应用带来意义。”

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。对颗粒物质微观结构和动力学的研究,有助于未来对包括地震、泥石流等自然灾害的预防和控制,甚至“一带一路”建设中遇到的海床、地基巩固、沙漠治理等领域有更深刻和精准的理解。

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