顆粒材料的行為竟與液體非常相似

在特定條件下，顆粒材料的行為與液體類似。

沙子、大米和咖啡都是典型的顆粒狀物質。顆粒物質的行為在許多重要自然過程中起著關鍵作用，例如雪崩的形成和沙丘的運移。顆粒物質在工業中同樣佔據重要地位。在製藥或食品工業中，儘可能提高顆粒材料的處理效率是非常重要的。儘管顆粒物質的研究已比較深入，各種各樣的實際應用也層出不窮，但研究人員對與顆粒材料行為控制相關的物理定律的認識仍然不夠全面。液體的情況則正好相反，研究人員已經擁有很多成熟的物理定律和數學工具來充分描述它們的行為——尤其是不穩定的複雜液體（如乳液），似乎總有一種能快速重排結構的「魔力」。

eurekalert.org網站5月8日報道，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）能源科學與工程學教授Christoph Müller帶領的研究團隊與美國哥倫比亞大學（Columbia University）的科學家們合作發現，在特定情況下，顆粒混合物與不相溶液體體系表現出驚人的相似之處。兩者的行為甚至能用類似的物理定律進行解釋。實驗中，研究人員將不同構型的重質/輕質顆粒放進同一個狹小的容器中，然後在振動條件下隨同空氣同時從容器下方進入實驗裝置。振動和空氣流使顆粒「流體化」，使其開始表現出類似於液體的行為。隨後，研究人員觀察了顆粒物質是如何隨著時間推移重新排列的。

例如，在輕質沙粒上覆蓋一層重質沙粒，流體化會導致輕質沙粒向上遷移，並形成球狀結構。這與黏性液體的行為很相似。Müller教授團隊的博士生Christopher McLaren解釋說：「顆粒的行為與水-油體系相似。兩種材料之間發生了複雜的相互作用。」如果在重質沙粒中摻入少量輕質沙粒，輕質沙粒會在一定程度上以緻密球狀體向上遷移。但更複雜的行為模式也出現了：被輕質顆粒環繞的重質沙粒球狀體，不會沉入底部，而是逐漸分解成幾個較小的球狀體，並隨時間推移而向外擴散。

項目參與人員、博士後研究員Alexander Penn說：「我們的發現對多個領域有積極作用。例如製藥公司如果想要生產一種非常均勻的粉末混合物，那麼它必須詳細了解材料的物理性質，以便能夠準確控制生產過程。我們的發現也可能會激發地質學家們的興趣——幫助他們更好地理解滑坡過程或地震期間砂土層的行為。」此外，Penn認為這項研究還會對當前的能源行業產生影響。他說：「通過分析工業過程可以發現，顆粒材料的處理耗費了很大一部分能量。如果我們知道如何更好地控制顆粒材料，那麼製造、生產工藝將變得更加節能。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：阿淼

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