沙子谁没玩过? 上海交大今天把沙子玩上了Nature! | 独家专访

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沙子谁没玩过呢？可是背后的玄机又有几个人想过？ 今天Nature在线发表的一篇论文，报道了上海交大物理与天文学院、交大材料基因组联合研究中心、以及南京大学人工微结构协同创新中心王宇杰特别研究员及合作者的研究论文，Granular Materials Flow like Complex Fluids, 报道了他们将沙子玩上Nature的深刻洞见，即便对其他领域的学者，也颇有启迪意义。请看我们的特别报道，文末有知社特约专家点评和王教授的研究心得访谈。特别致谢Nature提供资讯。

其实不玩沙子的话，吃货也行，不管是M&M巧克力豆还是瓜子花生和黄豆。。。

沙子既像固体，在没有外界干扰的时候能保持静态，形成沙丘之类的景观；也像液体，在外力作用下能够流动，可以用做沙漏记时。像沙子之类的所谓颗粒物质(granular materials)如上图所示，可谓无所不在。可是令人惊讶的是，我们对其动态行为所知仍然非常有限。在理论上，对于这样一个非平衡态的多体耗散系统，迄今还没有合适的统计力学理论框架对其研究。在实验上，颗粒物质一般不透明，传统方法对其三维动态成像观测也有很大的困难。因此，软凝聚态之父，诺贝尔奖获得者De Gennes教授在1999年就指出，

我们对于颗粒这种耗散的非平衡态体系每一件事都尚待理解，整体认知水平就如同上世纪三十年代我们对固体物理的了解一样。

而美国的Science杂志，也在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。

实验装置示意

王宇杰教授近年一直从事同步辐射X射线影像和软物质物理研究。在这一工作中，他与合作者将医学影像常用的CT用于颗粒物质研究，如上图所示。研究人员对椭球状的颗粒物质施加循环的准静态剪切应变，等效于热扰动，然后运用CT测量其位置与取向。这样他们就能够监控每一个颗粒在空间的三维轨迹，如下图所示的20个颗粒实例，从而确定它们的位移与旋转随时间的变化规律。在此之前，还没有人用CT系统研究颗粒物质。

所测20个颗粒的三维轨迹

佛教说恒河之沙，数不胜数。这样一个实验观测，所产生的数据是海量的，必须统计分析以发现规律。他们首先研究了所测颗粒平移与旋转位移平方的均值，发现与时间呈指数关系，如下图所示，但冥与所施加的剪切应变有关，且不存在普通流体在玻璃化转变时所出现的平台区，即不存在所谓的笼效应（颗粒被临近颗粒暂时约束而失去流动性）。在对数坐标下，斜率为0.75的曲线，也显示在相对较大的应变下颗粒存在反常扩散现象。这些实验现象，是当前常用的硬球模型所无法解释的。

所测颗粒的平移与旋转位移平方均值与时间及剪切应变关系

进一步分析发现，颗粒的位移分布函数是非高斯的，满足所谓的Gumbel关系，与普通流体不同。即在小位移下与高斯分布相似，但大位移下有一个长尾，如下图所示。研究人员认为这显示颗粒体系中存在两种弛豫机制的竞争，即小尺度下由颗粒粗糙度所引起的扩散，和大尺度下非可逆的弛豫。此外，其概率分布形状与应变、时间、以及位移方向无关，显示其普适性。这个小尺度下由颗粒粗糙度所引起的微扩散过程，是这一工作最关键的一个新的洞见。

所测位移分布函数与概率密度

为解释所观察到的反常扩散行为，研究人员定义了颗粒位移分布的时间关联函数，即颗粒在两段连续的时间间隔内分别产生位移d1和d2的概率。他们发现，在相对较小的应变下，这两个时间间隔产生相关位移的概率是相互独立的，如下图ab所示。但在相对较大的应变下，如下图cd所示，则后面的位移取决与前面的位移，即颗粒存在所谓的记忆效应：

a particle that has moved in the time interval [0, tw] by an amount d1 is likely to move in the time interval [tw, 2tw] by an amount −d1.

进一步分析发现，记忆效应出现的时间与反常扩散出现的时间一致，显示这两种现象的内在关联。

所测位移分布的时间关联函数显示记忆效应

为更加清晰地了解这一工作的意义及其背后的一些故事，知社连线采访了王宇杰教授。

知社：王老师好。首先祝贺您非常漂亮的工作。请问这项研究最大的创新和突破在哪里？

王：我们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。

知社：这样的发现有何意义呢？

王：迄今我们还没有一个完备的颗粒物质的理论框架。过去几十年物理学家将颗粒体系在有大量能量馈入下形成的气态类似于硬球理想气体进行研究，取得了很大的成功。后来又试图将颗粒固体类比于发生了玻璃化转变或者阻塞相变(jamming transition)的硬球液体。现在看来这种类比方式可能丢掉了一些重要的东西，尤其是颗粒表面粗糙度等微观尺度对体系微观动力学的影响。这也是为什么原来大家觉得颗粒“固体”类似于分子无序体系，应该具有屈服应变，而我们实验上发现并没有的原因 -- 颗粒体系在非常微小的扰动时可以通过表面粗糙的微小尺度逐渐实现结构弛豫而流化，而不是类似于光滑体系一样必须在外部微扰足够大时才能出现结构弛豫。

但是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一方面会维持固体的骨架，同时内部结构又会像液体一样连续演化的临界固体特性。

微观动力学直接决定宏观连续介质理论的建立和各种输运系数。我们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。

知社：听起来非常深刻，那这个工作就世俗而言，有没有什么应用上的潜力呢？

王：颗粒物质是很多应用学科的载体。但现有的工程理论主要是基于经验的宏观本构理论，缺少微观机制和机理，在很多实际应用中遇到了很大的困难。因此借鉴学科历史的发展途径，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，具有非常重要的意义。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很大潜在的影响。颗粒物质的行为也体现了“万物皆流，无物常驻”。

知社：您在研究过程中遇到的最大的挑战在哪里呢，是如何克服的？    

王：为了得到颗粒的动力学，我们需要对体系进行连续三个时间尺度的CT成像动力学追踪，对应的实验及数据处理都有很大的难度。我们最开始一直将实验结果局限在颗粒尺度来理解，也就是传统的硬球模型，因此遇上了很大的困境。直到我们意识到颗粒并不是像原子分子一样的完美地硬球，而是具有更小微观尺度的多尺度体系，这些微小尺度会起到重要的影响，才豁然开朗。

王宇杰特别研究员1995年清华大学物理系获学士学位。2001年在麻省理工学院师从Prof. Birgeneau 获得物理学博士学位。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9月被上海交通大学物理系聘为研究员。 近年来主要从事同步辐射医学影像和软物质物理研究。

Nature论文第一作者为博士研究生寇斌权，共同作者有曹一新、李金东、夏成杰、李智峰等几位同学，上海交大瑞金医院放射科董海鹏、张昂，物理学院张杰教授，以及法国合作者Walter Kob等。

特别致谢Nature提供资讯。论文原文链接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature24062.html

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