颗粒材料的行为竟与液体非常相似

在特定条件下，颗粒材料的行为与液体类似。

沙子、大米和咖啡都是典型的颗粒状物质。颗粒物质的行为在许多重要自然过程中起着关键作用，例如雪崩的形成和沙丘的运移。颗粒物质在工业中同样占据重要地位。在制药或食品工业中，尽可能提高颗粒材料的处理效率是非常重要的。尽管颗粒物质的研究已比较深入，各种各样的实际应用也层出不穷，但研究人员对与颗粒材料行为控制相关的物理定律的认识仍然不够全面。液体的情况则正好相反，研究人员已经拥有很多成熟的物理定律和数学工具来充分描述它们的行为——尤其是不稳定的复杂液体（如乳液），似乎总有一种能快速重排结构的“魔力”。

eurekalert.org网站5月8日报道，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）能源科学与工程学教授Christoph Müller带领的研究团队与美国哥伦比亚大学（Columbia University）的科学家们合作发现，在特定情况下，颗粒混合物与不相溶液体体系表现出惊人的相似之处。两者的行为甚至能用类似的物理定律进行解释。实验中，研究人员将不同构型的重质/轻质颗粒放进同一个狭小的容器中，然后在振动条件下随同空气同时从容器下方进入实验装置。振动和空气流使颗粒“流体化”，使其开始表现出类似于液体的行为。随后，研究人员观察了颗粒物质是如何随着时间推移重新排列的。

例如，在轻质沙粒上覆盖一层重质沙粒，流体化会导致轻质沙粒向上迁移，并形成球状结构。这与黏性液体的行为很相似。Müller教授团队的博士生Christopher McLaren解释说：“颗粒的行为与水-油体系相似。两种材料之间发生了复杂的相互作用。”如果在重质沙粒中掺入少量轻质沙粒，轻质沙粒会在一定程度上以致密球状体向上迁移。但更复杂的行为模式也出现了：被轻质颗粒环绕的重质沙粒球状体，不会沉入底部，而是逐渐分解成几个较小的球状体，并随时间推移而向外扩散。

项目参与人员、博士后研究员Alexander Penn说：“我们的发现对多个领域有积极作用。例如制药公司如果想要生产一种非常均匀的粉末混合物，那么它必须详细了解材料的物理性质，以便能够准确控制生产过程。我们的发现也可能会激发地质学家们的兴趣——帮助他们更好地理解滑坡过程或地震期间砂土层的行为。”此外，Penn认为这项研究还会对当前的能源行业产生影响。他说：“通过分析工业过程可以发现，颗粒材料的处理耗费了很大一部分能量。如果我们知道如何更好地控制颗粒材料，那么制造、生产工艺将变得更加节能。”

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编译：雷鑫宇 

审稿：阿淼  

责编：唐林芳 

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