我国科学家发现：颗粒材料流变行为类同于复杂流体

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新华社上海11月10日电(记者邱毅)中国科学家在颗粒物研究方面取得了很大进展。上海交通大学物理与天文学院的王玉洁教授领导的一个研究小组发现，最初被认为是一般意义上的颗粒固体，实际上是处于液体和固体边界的临界相，在很小的外部扰动下会流化，并且在许多情况下表现得更像液体。

国际著名学术期刊《自然》在线发表了“颗粒材料的流变行为类似于复杂流体”的研究成果。颗粒物的行为也反映了“万物流动，万物不变”，突破了对颗粒物的传统认识。

借助于ct成像技术，研究团队对三维粒子系统在准静态循环剪切作用下的微观动力学进行了深入研究。在微颗粒尺度上，首次获得了三个时间尺度的微动力学过程。发现粒子系统具有与传统液体完全不同的微观动力学，这反映了“热系统”和“摩擦系统”的本质区别，但同时，这种动力学也表现出很强的普适性，可以理解为粒子系统遵循的一种新的普适微观动力学。上述现象的核心是颗粒物质具有多尺度现象，这种多尺度现象也使得我们传统意义上理解的颗粒“固体”恰好在液固相的边界处成为临界固体:它通常在重力的作用下保持固态，但一旦受到轻微的外部扰动，就会出现结构弛豫，表现出流体的特性。

颗粒物是由大量大尺寸颗粒组成的离散系统。“由于粒子之间的非弹性碰撞，粒子系统是一个多体耗散的非平衡系统。颗粒物质在不同的条件下会呈现气体、液体和固体。但是，它的液-固性质与牛顿流体、弹性固体和其他连续介质系统有显著的不同。”王玉洁介绍说:“到目前为止，我们还没有一个完整的微粒物质理论框架。”

我们还发现，粒子系统具有固体的性质，因为粒子系统是一个耗散系统，结构弛豫产生的能量会很快转移到原子水平，所以扰动消失后，系统将恢复其“固体”刚性而不会突然流化。最后，粒子系统将显示关键的固体特征，即在扰动下，固体的骨架将保持不变，内部结构将像液体一样不断演化。

研究成果不仅在理论上有所突破，而且具有很大的应用价值。颗粒物在许多行业都有重要的应用，如采矿、农业、化工、医药和建筑等。它是世界上仅次于水的第二大加工工业原料。此外，这项工作将对地震、泥石流和滑坡研究等应用学科产生重要的潜在影响。