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王宇杰团队《自然》发文探寻沙子背后玄机—新

发布时间:2017-12-03 阅读:

  王玉杰队“自然”发文,探讨沙背后的奥秘 - 新闻 - 科学网

  科学网11月9日上海消息(新华社黄鑫)今天,上海交通大学宣布,物理与天体物理学院王玉杰教授团队在固体颗粒物质的关键领域取得了重大突破,相关研究成果近日在线发表国际知名学术期刊“自然”。

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  沙尘等微粒物质在生活中是非常普遍的,但由于其多物理机制和多尺度结构,既是固体又是液体,人们对其动态行为的规律知之甚少。一般力学和凝聚态物理学很难很好地解释它的许多现象。因此,颗粒物质已经成为物理和机械研究的前沿领域。

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  王玉杰队用CT成像技术对静态循环剪切三维粒子系统动力学进行了深入的研究。在微观尺度上,第一次获得了三个时间尺度的微观动力学过程。研究小组的实验发现,颗粒体系具有与传统液体完全不同的微观动力学,反映了热力学和摩擦体系之间的本质区别,但是同时这个动力学也显示出非常强的普遍性,可以被理解作为颗粒系统所遵循的新的通用微动力学,上述现象的核心是颗粒物质的多尺度现象,并且这种多尺度现象也导致我们传统上理解的颗粒固体在液 - 液界面上成为关键固体,固相边界:固态通常在重力作用下保持,当受到轻微的外部扰动时会发生结构松弛,表现出流体性质。

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  紧急解决重大科学问题

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  可以说,颗粒物在日常生活中无处不在。从孩子们喜欢吃糖果来治愈药囊的小胶囊,从粮食储备的粮食到成堆的矿石等待冶炼,从海边的巨石到登月的月球着陆

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  颗粒物质是由大量大颗粒组成的离散系统。它在矿业,农业,化工,医药,建筑等行业有着重要的应用,是除水之外的第二大加工工业原料。发达国家用于处理颗粒物的成本占国内生产总值的相当大部分。另外,颗粒物质也是地震,泥石流等地质过程的实际载体。

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  事实上,人类对于颗粒物质的关注一直很受关注。鲁尤写的凉州四周冰,,风沙平无痕。辗压沙漠沙丘,既能在平静的时候保持固态的形状,又能在风中流淌。不仅如此,古人的智慧,也是根据固沙造砂的特性,记录着时间的流逝。

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  但是,我们对颗粒物质的认识还远远不够。

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  由于粒子之间无弹性碰撞,粒子系统是一个多体耗散非平衡系统。不同条件下的颗粒物质会呈现气态,液态,固态。然而,它们的液体 - 固体性质与牛顿流体和弹性固体等连续介质的性质完全不同。王玉杰教授介绍,迄今为止我们还没有一个完整的颗粒物理论框架。

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  法国诺贝尔经济学奖得主De Gennes教授于1999年指出,我们仍然需要了解有关粒子系统的一切,这是一个耗散的非平衡系统。认知的整体水平与过去三十年的一样。物理的理解。 2005年,“科学”杂志将颗粒物非平衡动力学理论列为亟待解决的125个重大科学问题之一。

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  新的通用微动力学

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  颗粒物研究取得的突破颠覆了人们的传统认识,王玉杰研究小组的研究表明,颗粒状固体原来的一般意义,实际上是液固界面上的一个临界相会在流体化下非常小的外部扰动,在很多情况下表现得更像液体。

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  王玉杰说,过去几十年来,物理学家在大量能量供给的情况下,在粒子体系研究方面取得了很大的成功,形成了类似于硬球理想气体的气体。后来,企图将颗粒状固体分类为经历玻璃化转变或阻止相变的强制液体。现在看来,这个比喻可能会丢掉一些重要的东西,尤其是微观动力学,如粒子表面粗糙度。

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  事实上,团队最初面对粒子尺度理解的实验结果,传统的硬球模型,遇到了很多困难。只有当他们认识到粒子不是像原子分子那样完美的硬球时,而是具有较小微观尺寸的多尺度系统时才会产生显着的影响。

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  他们将CT成像技术应用于受到循环剪切的三维粒子系统的微观动力学。采用准静态循环剪切驱动粒子系统,并利用近千幅CT图像原位追踪系统的结构演变。在微观尺度上,第一次获得了三个时间尺度的微观动力学过程。

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  通过数据分析,发现粒子体系在玻璃化转变附近的扩散曲线上没有发现高原区域的笼状效应(在笼状效应发生后结构不会长时间松弛)简单的扩散运动(结构类似液体的连续松弛);同时粒子在不同时刻的位移分布也不符合普通液体的高斯分布,但满足高斯核和指数尾的Gumbel分布(指示位移是由普通正态扩散和少量的相对较大的位移分布,但与普通液体的高斯分布类似,实验中发现的Gumbel分布与循环剪切幅度和勘探时间尺度无关,表明这可能是颗粒的普遍规律物质体系。

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  王玉杰说,了解上述现象的核心在于认识到颗粒物的多尺度现象。与熟悉的原子分子系统不同,颗粒物质一般不是绝对光滑的。除了粒度尺度之外,系统还具有表面尺度(表面粗糙度),这也是摩擦的来源。这也是为什么我们原本认为粒状固体与分子无序系统相似,应该具有屈服应变的原因,我们没有发现实验的理由 - 在非常微小的扰动下,颗粒状结构可以用微观的表面粗糙度来逐渐实现。流动性,而不是平滑系统,必须是当外部扰动足够大时必须发生结构性扰动。

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  研究还发现,粒子系统具有固体的属性,因为粒子系统是耗散系统,结构弛豫产生的能量迅速转移到原子水平。因此,扰动消失后系统将恢复固体刚性而不发生任何突变流化现象。最终的粒子系统将呈现一个关键的固体特征,保持固体的骨架受到扰动,而内部结构将继续像液体一样进化。

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  这些发现不仅在理论上有所突破,而且在应用上也起着重要的作用。王玉杰说,颗粒物是许多应用学科的载体。但是,现有的工程理论主要是基于宏观的经验本构理论。微观机制和机制的缺乏在许多实际应用中遇到了很大的困难。因此,根据学科发展历史和统计力学的基础上,从微观结构和动力学建立宏观物质系统的宏观连续性力学理论框架是一个必然的途径,具有重要的意义。这项工作对地震,山体滑坡,山体滑坡等应用性学科研究也有很大的潜在影响。颗粒物质也与“一带一路”的建设密切相关。 “一带一路”倡议是21世纪我国长期,复杂,艰巨的任务。迫切需要科技创新的支持,在人类活动与全球环境相互作用的过程中,涉及重大海洋和脆弱地面工程的建设和安全。这些问题解决方案不仅取决于当前基于经验的工程方法和看法,而且还取决于我们对诸如海床,沙漠,地基和山体滑坡等颗粒物质的物理和机械性质和演变的理解。颗粒物质的行为也反映了一切的流动,没有任何居民。

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  个人简介:

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  王玉杰教授于1995年在清华大学获得物理学学士学位,2001年获得麻省理工学院物理博士学位。毕业于美国阿贡国家实验室博士后,从事博士后及助理研究员工作,截至2009年底作为上海交通大学的研究人员,近年来主要从事同步辐射图像和以软物质物理研究为代表的粒子物质,2014年以来,随着Nature1,Nature Communications 2和PRL1论文的发表,上海交通大学出版社出版了自然通讯和PRL各1份,相关研究成果得到了国内外同行的高度认可,其中,成功举办了2016第三届国际包装问题国际会议上海为会议主席,会议共有130多位专家学者,呃十多个国家的四十个国家和地区。

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