颗粒状物质，即由单个碎片组成的物质，无论是沙粒、咖啡豆还是鹅卵石，都是地球上最丰富的固体物质。这些物质移动的方式和对外力的反应可以决定什么时候发生山体滑坡或地震，以及更常见的事件，比如谷物从盒子里出来时是如何堵塞的。
然而，分析这些流动事件发生的方式以及决定其结果的因素一直是一个真正的挑战，而且大多数研究都局限于二维实验，无法揭示这些材料行为的全貌。
现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法，可以进行详细的3D实验，可以准确地揭示力是如何通过颗粒材料传递的，以及颗粒的形状如何极大地改变结果。这项新工作可能会带来更好的方法来理解山体滑坡是如何引发的，以及如何控制工业过程中颗粒材料的流动。
麻省理工学院土木与环境工程教授Ruben Juanes和现就职于石溪大学的Wei Li博士在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表了一篇论文，描述了这一发现。
从土壤和沙子到面粉和糖，颗粒状物质无处不在。“这是一件日常用品，是我们基础设施的一部分，”李说。“当我们进行太空探索时，我们的太空飞行器会降落在颗粒状物质上。颗粒介质的破坏可能是灾难性的，比如山体滑坡。”
“这项研究的一个主要发现是，我们提供了一种微观解释，解释了为什么一组角状粒子比一组球体更强，”李说。
Juanes补充说:“在基本层面上，了解材料的整体反应总是很重要的。我可以看到，未来，这可以提供一种新的方法来预测材料何时会失效。”
Juanes解释说，对这些材料的科学理解真正开始于几十年前，当时发明了一种方法来模拟它们的行为，使用二维圆盘来表示力是如何通过粒子集合传递的。虽然这提供了重要的新见解，但它也面临着严重的限制。
在之前的工作中，李开发了一种通过挤压成型技术制造三维颗粒的方法，这种技术生产的塑料颗粒没有残余应力，几乎可以制成任何不规则形状。现在，在这项最新的研究中，他和Juanes已经应用这种方法来揭示颗粒材料在载荷作用下的内应力，在一个完全三维的系统中，更准确地代表了真实的颗粒材料。
这些粒子是光弹性的，Juanes解释说，这意味着当受到压力时，它们会根据压力的大小改变任何通过它们的光。“所以，如果你用偏振光照射它，并对材料施加压力，你可以看到压力变化发生的地方，以材料中不同的颜色和不同的亮度的形式。”
这种材料已经使用了很长时间，Juanes说，但是“关键的事情之一是，当这些材料浸入流体中时，流体可以流过材料本身，因此无法成像这些材料的应力。”
他强调，能够做到这一点很重要，因为“我们感兴趣的多孔介质——生物多孔介质、工业多孔介质和地质多孔介质——它们的孔隙空间中通常含有流体，这些流体将通过水力作用通过这些孔隙进行输送。这两种现象是耦合的:应力是如何传递的，孔隙流体压力是多少。”
问题是，当使用一组二维圆盘进行实验时，这些圆盘会以一种完全阻挡流体的方式堆积起来。只有有了三维质量的颗粒，流体才会有流过的路径，这样才能在流体运动时监测到应力。
使用这种方法，研究人员能够证明“当你压缩颗粒状材料时，力以我们称之为链或细丝的形式传递，这种新技术能够在三维空间中可视化和描绘，”Juanes说。
为了获得3D视图，他们结合使用光弹性来照亮力链，同时使用一种称为计算机断层扫描的方法，类似于医学CT扫描中使用的方法，从物体旋转360度时拍摄的一系列2400张平面图像中重建出完整的3D图像。
由于颗粒浸没在一种与聚氨酯颗粒本身具有完全相同折射率的液体中，如果没有压力，当光线穿过它们的容器时，这些珠子是看不见的。然后，施加压力，当偏振光照射进来时，压力就会显示为光和颜色，Juanes说。
“真正引人注目和令人兴奋的是，我们没有对多孔介质进行成像。我们正在对通过多孔介质传递的力进行成像。我认为，这开辟了一种研究颗粒材料应力变化的新方法。”他补充说，“这真的是我多年来的梦想”，他说，多亏了李在这个项目上的工作，这个梦想才得以实现。
利用这种方法，他们能够准确地证明，不规则的、有棱角的颗粒是如何产生比球形颗粒更坚固、更稳定的材料的。虽然这是经验上已知的，但这项新技术使人们有可能根据力的分布方式，准确地证明为什么会这样，并将使未来的工作成为可能，研究各种各样的颗粒类型，以确定在生产稳定结构(如铁路床的压载物或防波堤上的抛石)时，确切地确定哪些特征是最重要的。
由于没有办法观察到这些材料中的三维力链，Juanes说，“现在很难准确地预测滑坡何时发生，因为我们不知道不同材料的力链结构。”
李说，开发能够做出这种预测的方法需要时间，但这最终可能是这项新技术的重大贡献。这种方法的许多其他应用也是可能的，甚至在一些看似无关的领域，比如鱼携带鱼卵在水中游动时鱼卵的反应，或者帮助设计新型的机器人抓取器，这些抓取器可以很容易地适应任何形状的物体。
更多信息:Juanes, Ruben，三维颗粒介质中力链的动态成像，美国国家科学院院刊(2024)。DOI: 10.1073 / pnas.2319160121。doi.org/10.1073/pnas.2319160121期刊信息:麻省理工学院提供的美国国家科学院院刊引文:颗粒材料的行为很难可视化，但新的方法揭示了它们在3D中的内力(2024,3月25日)检索自2024年3月25日https://techxplore.com/news/2024-03-behavior-granular-materials-difficult-visualize.html。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
