交大團隊“玩”沙上了《自然》雜誌

        原標題：沙子到底是固體還是液體？交大團隊“玩”沙上了《自然》雜誌

       人類對顆粒物質其實早有關注，充滿智慧的古人，還利用沙粒固液性質做成沙漏。為何沙子靜止時呈現沙丘“固體狀態”，受到外部微擾又會像液體一樣“流動”？令人驚訝的是，這些現象身邊常見，但背後的原理卻不甚明瞭。中國科學家最近在此領域的研究取得重大進展，上海交通大學物理與天文學院王宇傑教授團隊的研究成果“顆粒材料流變行為類同於複雜流體”（Granular materials flow like complex fluids）近日在國際著名學術期刊《自然（Nature）》在線發表。 

圖説：顆粒物質是什麼？　新民晚報記者　易蓉　攝

　　研究者通過CT成像技術對準靜態循環剪切的三維顆粒系統，從微觀粒徑尺度發現顆粒物質位移與旋轉隨時間的變化規律，實驗發現顆粒體系具有和普通液體完全不同的微觀動力學，認為傳統意義上理解的顆粒“固體”是一種正好處在液固相邊界的臨界固體。這項研究不僅具有基礎研究意義，也為推動包括地震、泥石流等地質過程的認知和在礦業、農業、醫藥、化工等領域的應用具有重要意義。  

圖説：顆粒物理研究屬於前沿科學研究　新民晚報記者　易蓉　攝

圖説：顆粒的表面性質　新民晚報記者　易蓉　攝

　　Science雜誌在2005年將顆粒物質的非平衡態動力學理論列為亟待解決的125個重大科學問題之一。組成顆粒物質的單個粒子與組成氣液固態的原子分子很相似，因此以往研究認為可以用固體、液體力學的理論來研究顆粒物質。但實際上，顆粒物質液固態性質都與牛頓流體，彈性固體等連續介質體系有著顯著的區別。這一領域的研究過去進展緩慢，主要是由於實驗技術的限制，難以觀察並非透明的顆粒物質內部形態。“由於粒子間的非彈性碰撞，顆粒體系是多體耗散的非平衡態體系。顆粒物質在不同條件下會表現出氣、液、固態。迄今我們還沒有一個完備的顆粒物質的理論框架。”王宇傑教授説。

圖説：採訪對象供圖　新民晚報記者　易蓉　攝

　　王宇傑團隊將醫用CT引入到物理研究中，通過掃描來觀察顆粒物質的圍觀動力學過程，並且發現顆粒物質具有多尺度現象——顆粒物質的表面不是絕對光滑的，體系除了顆粒粒徑尺度外還有表面尺度。而這種多尺度現象也導致傳統意義理解的顆粒“固體”成為一種正好處在液固相邊界的臨界固體——沙子靜止時是沙丘，受到微小外部微擾就會“流動”，像沙漏。

“我們的一次CT實驗就獲得上百G的圖像數據，下來還要經過大量的圖像處理及數據分析。”王宇傑近年來主要從事同步輻射影像及以顆粒物質為代表的軟物質物理研究，團隊此次將CT成像技術運用到研究中，對模擬“沙子”的顆粒系統進行了近千次掃描，記錄顆粒的運動。

　　這些研究發現不僅在基礎研究上取得突破，而且對應用也有重要作用。目前應用於實際的工程理論缺少微觀機制和機理，在很多實際應用中遇到困難。“基於統計力學，從微觀結構和動力學開始建立顆粒物質體系的宏觀連續介質力學理論框架是必然途徑。這不僅是追求科學真理的過程，也對實際應用帶來意義。”王宇傑教授認為，這項研究在與其他學科的交叉碰撞中必將擦出更多火花，未來在對包括地震、泥石流等自然災害的預防和控制，工業和農産品輸運，甚至“一帶一路”建設中遇到的海床、地基鞏固、沙漠治理等領域有更深刻和精準的理解，産生極大的潛在影響。  

圖説：左三為王宇傑教授　新民晚報首席記者　孫中欽　攝

　　王宇傑教授1995年在清華大學物理系獲學士學位，2001年在麻省理工學院獲物理學博士學位。博士畢業後在美國阿貢國家實驗室從事博士後和助理研究員研究。2009年底在上海交大任研究員。近年來主要從事同步輻射影像及以顆粒物質為代表的軟物質物理研究。從2014年起，依託自身實驗室以交大為第一單位發表Nature1篇，Nature Communications 2篇， PRL1篇等論文，合作發表Nature Communications及PRL各1篇，相關科研得到了國內外同行的高度認同。其中作為會議主席在上海成功舉辦了“2016 3rd International Conference on Packing Problems”。會議包括 10多個國家和地區、40多個單位的130多位專家學者參加。

　　視頻：論文第一作者寇斌權演示實驗過程