中國科學(xué)家在顆粒物質(zhì)領(lǐng)域的研究取得重大進(jìn)展。上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院王宇杰教授領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，原來一般意義上認(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。
左三為王宇杰教授 資料圖
王宇杰實(shí)驗(yàn)室二維顆粒震動(dòng)實(shí)驗(yàn)
研究成果“顆粒材料流變行為類同于復(fù)雜流體”在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。顆粒物質(zhì)的行為也體現(xiàn)了“萬物皆流，無物常駐”，突破了人們對(duì)顆粒物質(zhì)的傳統(tǒng)認(rèn)知。
科研團(tuán)隊(duì)借助CT成像技術(shù)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)剪切的三維顆粒系統(tǒng)的微觀動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入研究。在微觀粒徑尺度上，第一次得到了長達(dá)三個(gè)時(shí)間尺度的微觀動(dòng)力學(xué)過程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒體系具有和傳統(tǒng)的液體完全不同的微觀動(dòng)力學(xué)，體現(xiàn)了“熱體系”和“摩擦體系”的本質(zhì)不同，但同時(shí)這種動(dòng)力學(xué)也表現(xiàn)出非常強(qiáng)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(dòng)力學(xué)。上述現(xiàn)象的核心是顆粒物質(zhì)具有多尺度現(xiàn)象，而這種多尺度現(xiàn)象也導(dǎo)致我們傳統(tǒng)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(tài)，而一旦受到微小的外部微擾就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)弛豫，表現(xiàn)出流體的特性。
循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置
顆粒物質(zhì)就是由大量具有宏觀大小的粒子匯聚成的離散體系。“由于粒子間的非彈性碰撞，顆粒體系是多體耗散的非平衡態(tài)體系。顆粒物質(zhì)在不同條件下會(huì)表現(xiàn)出氣、液、固態(tài)。但是其液固態(tài)性質(zhì)都與牛頓流體、彈性固體等連續(xù)介質(zhì)體系有著顯著的區(qū)別。”王宇杰介紹，“迄今我們還沒有一個(gè)完備的顆粒物質(zhì)的理論框架。”
研究還發(fā)現(xiàn)，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)，結(jié)構(gòu)弛豫產(chǎn)生的能量會(huì)快速轉(zhuǎn)移到原子層面，所以體系在微擾消失后會(huì)恢復(fù)“固體”剛性而不會(huì)出現(xiàn)突變式的流化現(xiàn)象。最終顆粒體系會(huì)表現(xiàn)出在微擾下既會(huì)維持固體的骨架，同時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)又會(huì)像液體一樣連續(xù)演化的臨界固體特性。
顆粒物理研究屬于前沿科學(xué)研究
研究發(fā)現(xiàn)不僅在理論上取得突破，而且具有很大的應(yīng)用價(jià)值。顆粒物質(zhì)在礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、醫(yī)藥和建筑業(yè)等很多行業(yè)中都有重要的應(yīng)用，是地球上除水以外第二多被處理的工業(yè)原材料。此外，這項(xiàng)工作對(duì)包括地震、泥石流、山體滑坡研究在內(nèi)的應(yīng)用學(xué)科研究也會(huì)產(chǎn)生重要潛在影響。
來源：新華網(wǎng)
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