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固体还是液体?上海交大学者《Nature》发文颠覆对颗粒材料认知

来源:新材料在线 时间:2017-11-13

中国科学家在颗粒物质领域的研究取得重大进展。上海交通大学物理与天文学院王宇杰教授领衔团队研究发现,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。

左三为王宇杰教授 资料图

王宇杰实验室二维颗粒震动实验 新民晚报记者 易蓉 摄

研究成果“颗粒材料流变行为类同于复杂流体”在国际著名学术期刊《自然》在线发表。颗粒物质的行为也体现了“万物皆流,无物常驻”,突破了人们对颗粒物质的传统认知。

科研团队借助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。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。

循环剪切试验装置 新民晚报首席记者 孙中钦 摄

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。“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。”王宇杰介绍,“迄今我们还没有一个完备的颗粒物质的理论框架。”

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既会维持固体的骨架,同时内部结构又会像液体一样连续演化的临界固体特性。

颗粒物理研究属于前沿科学研究 新民晚报记者 易蓉 摄

研究发现不仅在理论上取得突破,而且具有很大的应用价值。颗粒物质在矿业、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。此外,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重要潜在影响。

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