沙子粉末等更像固体还是液体？中国科学家《自然》发文颠覆颗粒物质传统认知

你知道吗？在地球上，除了水，被处理最多的物质形态是什么？是从沙子到粉末的颗粒物质。世界上50%的商品在生产某一阶段，都是以颗粒形式存在的，发达国家用在颗粒物质处理上的花费占了国民生产总值的相当一部分。

“但是，相对于水，我们对颗粒物质的理解还远远不够。”9日，上海交通大学宣布国际著名学术期刊《自然（Nature）》率先在线发表我国科学家在这一领域的重大研究进展。来自物理与天文学院王宇杰教授团队的新发现“颗粒材料流变行为类同于复杂流体”，颠覆了人们长期来的传统认知，揭秘颗粒物质的“临界固体”本质。

可以说，颗粒物质在日常生活中无处不在：从孩子喜欢吃的糖果粒到药物胶囊里的小药丸，从粮仓贮存的口粮到等待冶炼的矿物，直到探月登陆关注的月壤……此外，颗粒物质也是一些地质过程包括地震、泥石流等的实际载体。

颗粒物质就是由大量具有宏观大小的粒子汇聚而成的离散体系。诺贝尔奖获得者法国教授De Gennes在1999年时指出，“我们对于颗粒这种耗散的非平衡态体系的每一件事都尚待理解，整体认知水平就如同上世纪30年代我们对固体物理的理解”。因此，王宇杰教授告诉解放日报·上观新闻记者，“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。他带领科研团队通过与医院方面协作，借助CT成像技术，对三维颗粒系统的微观动力学进行深入研究。在微观粒径的尺度上，第一次得到了长达3个时间尺度的微观动力学过程。

实验发现，颗粒物质具有多尺度现象，我们传统意义上理解的颗粒“固体”，事实上是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。“也就是说，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。”

值得注意的是，颗粒物质和我们熟悉的原子分子体系不同，一般不是绝对光滑的，除了颗粒粒径尺度外还有表面尺度，这也是导致摩擦的根源。上海交大自然科学研究院特别研究员张洁，向解放日报·上观新闻记者解释道，尽管原子与颗粒物质的尺度相差几千万倍，我们仍然应当考虑介于原子与颗粒尺度之间的特殊尺度，这与它们各自的表面粗糙度有关，对普适的微观动力学产生深远学术影响。

这些研究发现不仅在理论上取得突破，而且在应用中也将发挥重要作用。王宇杰表示，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。同时，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的潜在影响，也需要人们对海床、沙漠、地基与滑坡等颗粒物质的物理与力学性质及演变规律有更深入的理解。他说，颗粒物质的行为体现了“万物皆流，无物常驻”。