沙子到底是固体还是液体？交大团队“玩”沙上了《自然》杂志

新民晚报记者 易蓉 拍摄,李永生 制作

　　人类对颗粒物质其实早有关注，充满智慧的古人，还利用沙粒固液性质做成沙漏。为何沙子静止时呈现沙丘“固体状态”，受到外部微扰又会像液体一样“流动”？令人惊讶的是，这些现象身边常见，但背后的原理却不甚明了。中国科学家最近在此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团队的研究成果“颗粒材料流变行为类同于复杂流体”（Granular materials flow like complex fluids）近日在国际著名学术期刊《自然（Nature）》在线发表。

图说：颗粒物质是什么？　新民晚报记者　易蓉　摄

　　研究者通过CT成像技术对准静态循环剪切的三维颗粒系统，从微观粒径尺度发现颗粒物质位移与旋转随时间的变化规律，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。这项研究不仅具有基础研究意义，也为推动包括地震、泥石流等地质过程的认知和在矿业、农业、医药、化工等领域的应用具有重要意义。

图说：颗粒物理研究属于前沿科学研究　新民晚报记者　易蓉　摄

图说：颗粒的表面性质　新民晚报记者　易蓉　摄

　　Science杂志在2005年将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。组成颗粒物质的单个粒子与组成气液固态的原子分子很相似，因此以往研究认为可以用固体、液体力学的理论来研究颗粒物质。但实际上，颗粒物质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。这一领域的研究过去进展缓慢，主要是由于实验技术的限制，难以观察并非透明的颗粒物质内部形态。“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。”王宇杰教授说。

图说：采访对象供图　新民晚报记者　易蓉　摄

　　王宇杰团队将医用CT引入到物理研究中，通过扫描来观察颗粒物质的围观动力学过程，并且发现颗粒物质具有多尺度现象——颗粒物质的表面不是绝对光滑的，体系除了颗粒粒径尺度外还有表面尺度。而这种多尺度现象也导致传统意义理解的颗粒“固体”成为一种正好处在液固相边界的临界固体——沙子静止时是沙丘，受到微小外部微扰就会“流动”，像沙漏。

图说：王宇杰实验室二维颗粒震动实验　新民晚报记者　易蓉　摄

图说：循环剪切试验装置　新民晚报首席记者　孙中钦　摄

　　“我们的一次CT实验就获得上百G的图像数据，下来还要经过大量的图像处理及数据分析。”王宇杰近年来主要从事同步辐射影像及以颗粒物质为代表的软物质物理研究，团队此次将CT成像技术运用到研究中，对模拟“沙子”的颗粒系统进行了近千次扫描，记录颗粒的运动。

　　这些研究发现不仅在基础研究上取得突破，而且对应用也有重要作用。目前应用于实际的工程理论缺少微观机制和机理，在很多实际应用中遇到困难。“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。”王宇杰教授认为，这项研究在与其他学科的交叉碰撞中必将擦出更多火花，未来在对包括地震、泥石流等自然灾害的预防和控制，工业和农产品输运，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，产生极大的潜在影响。

图说：左三为王宇杰教授　新民晚报首席记者　孙中钦　摄

　　王宇杰教授1995年在清华大学物理系获学士学位，2001年在麻省理工学院获物理学博士学位。博士毕业后在美国阿贡国家实验室从事博士后和助理研究员研究。2009年底在上海交大任研究员。近年来主要从事同步辐射影像及以颗粒物质为代表的软物质物理研究。从2014年起，依托自身实验室以交大为第一单位发表Nature1篇，Nature Communications 2篇， PRL1篇等论文，合作发表Nature Communications及PRL各1篇，相关科研得到了国内外同行的高度认同。其中作为会议主席在上海成功举办了“2016 3rd International Conference on Packing Problems”。会议包括 10多个国家和地区、40多个单位的130多位专家学者参加。

　　视频：论文第一作者寇斌权演示实验过程

　　新民晚报记者 易蓉