埃默里大学卡罗尔·克拉克 颗粒物质在日常生活中无处不在，从砾石(上图)到芝麻(下图)
学分:埃默里大学 理解颗粒物质的动力学——比如沙子流过沙漏或者盐从振动筛中流过——是物理学中一个尚未解决的主要问题
一篇新的论文描述了记录大小的“震动”事件如何影响颗粒材料从兴奋状态到放松状态的动力学，这进一步证明了这种行为背后的统一理论
《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表了埃默里理论物理学家斯特凡·伯特切尔和伦敦帝国理工学院地球科学与工程系颗粒物质统计力学建模专家保拉·加戈的研究成果
“我们的工作标志着在以统一的方式描述颗粒材料的行为方面又向前迈出了一小步，”埃默里大学物理系教授兼主席伯特彻说
“对颗粒材料的全面理解可能会对一系列行业产生巨大影响，”他补充道
“仅举几个例子，它与将颗粒压缩成小球以制成药丸、农业中的谷物加工以及预测土木工程中涉及的各种地球物理物质的行为有关
" 粒状材料是无序的系统，通常处于远离平衡的状态
例子包括从沙子、大米和咖啡渣到滚珠轴承的所有东西
“它们是某种‘奇怪的球’，因为它们的行为不同于固体、液体和气体，”伯特切尔说
例如，根据特定的温度，水的相可以很容易地描述为液体、固体或气体，但是非平衡系统的热力学并没有很好地定义
一个主要的复杂因素是，大多数颗粒材料中的单个颗粒具有不同的、截然不同的特性，并且相互之间会产生摩擦力
温度的变化不会在它们身上产生显著的运动
重力使颗粒材料的行为更加复杂，因为它影响颗粒系统中不同层的密度
学分:埃默里大学 1997年，研究人员开发了一种以可控方式摇动颗粒材料的方法，用于一系列被称为“芝加哥堆”的实验
他们在一个玻璃烧杯中装满微米大小的玻璃珠，并以特定的幅度向上“敲打”这种材料
然后，他们能够测量烧杯中材料的最终密度，作为敲击强度或系统脉冲能量的函数
Boettcher和他的合作者希望通过计算机模拟分析获得颗粒堆压实动力学的分子水平理解
他们特别感兴趣的是在兴奋和放松状态下比较颗粒堆的密度来寻找模式
受芝加哥堆实验的启发，研究人员对60000个球体进行了计算机模拟，范围从1到1
直径为02微米，包含在垂直圆柱体2中
直径4厘米
圆柱体是通过调谐到精确振幅的能量脉冲来敲击的
该技术允许研究人员通过跟踪每个粒子接触的相邻粒子的移动数量，来局部和全局地测量粒子堆的密度
模拟显示，当一系列敲击的强度完全相同时，桩的密度增加得越来越慢，或者呈对数增长
随着时间的推移，敲击声持续不断，需要更大的、创纪录大小的颗粒排列移动来增加堆积密度
这些创纪录大小的波动越来越难以实现，这解释了密度增长缓慢的原因
“你可以把它想象成一个装满松散沙子的烧杯，”伯特切尔解释道
“起初谷物之间有很大的洞
所以最初，谷物很容易通过落入一个空的空间来改变位置
但是随着这些空间变得越来越小，一粒谷物掉进去的可能性就越来越小
随着敲击的继续，需要越来越多的合作事件来为更多的压缩创造必要的空间
" 先前的研究显示了无定形固体的类似统计模式，当从液态转变为固态时，无定形固体不会形成有序晶体，例如玻璃和许多聚合物
“这表明，这种模式可能是寻找描述失衡物质的系统方法的一个难题，”伯特切尔说
研究人员现在正在深入探究水龙头的动能是否等同于经典物理中用来描述材料的温度
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