一種新技術可將顆粒材料內部的作用力以三維細節的形式呈現出來，克服了以往觀察顆粒材料行為的難題。粒狀物質是地球上最豐富的固體物質形式，由單一顆粒（無論是沙粒、咖啡豆或鵝卵石）組成。這些物質的運動方式和對外力的反應可以決定山體滑坡或地震何時發生，也可以決定更普通的事件，例如麥片從盒子裡出來時如何被堵塞。

麻省理工學院的研究人員開發出一種方法，可以進行三維實驗，揭示力如何透過顆粒材料傳遞，以及顆粒的形狀如何極大地改變實驗結果。在這張照片中，三維光彈性顆粒在外部負載作用下發光並改變顏色。圖片來源：Ruben Juanes

然而，分析這些流動事件發生的方式以及決定其結果的因素一直是一個真正的挑戰，而且大多數研究都局限於二維實驗，無法揭示這些材料行為的全貌。

現在，麻省理工學院的研究人員開發出一種方法，可以進行詳細的三維實驗，準確地揭示力是如何透過顆粒材料傳遞的，以及顆粒的形狀是如何極大地改變結果的。這項新工作可能有助於更好地了解山體滑坡是如何引發的，以及如何在工業流程中控制顆粒材料的流動。麻省理工學院土木與環境工程系教授魯本-胡安內斯（Ruben Juanes）和現任教於石溪大學的李偉（Wei Li，14 級SM，19 級博士）在《美國科學院院刊》 （PNAS）上發表了一篇論文，對上述研究成果進行了描述。

從土壤和沙子到麵粉和糖，顆粒材料無所不在。 “它是日常用品，是我們基礎設施的一部分，”李說。 “當我們進行太空探索時，我們的太空飛行器會降落在顆粒材料上。而顆粒介質的失效可能是災難性的，例如山體滑坡。這項研究的一個主要發現是，我們從微觀上解釋了為什麼一包角狀粒子比一包球狀粒子更強。

胡安內斯補充說：”從根本上了解材料的整體反應始終是非常重要的。我可以看到，在未來，這將為預測材料何時失效提供一種新的方法。”

對這些材料的科學認識真正開始於幾十年前，當時人們發明了一種方法，用二維圓盤來模擬這些材料的行為，表示力是如何透過粒子集合傳遞的。雖然這提供了重要的新見解，但也面臨嚴重的限制。

在先前的工作中，李開發了一種透過擠壓成型技術製造三維顆粒的方法，這種方法製造出的塑膠顆粒沒有殘餘應力，幾乎可以製成任何不規則形狀。現在，在這項最新研究中，他和胡安內斯運用這種方法揭示了顆粒材料在施加負載時的內部應力，這種全三維繫統能更準確地反映現實世界中的顆粒材料。

成像技術與未來應用

這些粒子具有光彈性，這意味著當受到應力時，它們會根據應力的大小改變穿過它們的任何光線。 “因此，如果你用偏振光照射它，並對材料施加應力，你就能直觀地看到應力在哪裡發生了變化，表現為材料呈現出不同的顏色和亮度”。這種材料已經使用了很長時間，但”從未完成的一項關鍵工作是，當這些材料浸泡在流體中，流體可以流過材料本身時，能夠對其應力進行成像”。

胡安內斯強調說，能夠做到這一點非常重要，因為”相關的多孔介質-生物多孔介質、工業多孔介質和地質多孔介質–它們的孔隙中通常含有流體，流體將通過這些孔隙進行水力傳輸。

問題是，在使用二維圓盤進行實驗時，圓盤會以完全阻塞流體的方式堆積起來。只有使用三維的大量晶粒，流體才能始終有通道流過，這樣就可以在流體運動時監測應力。

使用這種方法，他們能夠證明”當你壓縮顆粒材料時，力會以我們稱之為鍊或絲的形式傳遞，而這種新技術能夠將其可視化並在三維空間中描繪出來”，胡安內斯說。

為了獲得三維視圖，他們結合使用了照亮力鏈的光彈性技術，以及一種被稱為電腦斷層掃描的方法（類似於醫學CT 掃描中使用的方法），從物體旋轉360 度時拍攝的一系列2400 張平面圖像中重建出完整的三維影像。

由於珠粒浸泡在一種折射率與聚氨酯珠粒本身完全相同的液體中，因此如果珠粒沒有受到應力，當光線透過容器照射時，珠粒是看不見的。然後，施加應力，當偏振光照射過去時，應力就會以光和顏色的形式顯現出來，胡安內斯說。 “真正了不起和令人興奮的是，我們不是在給多孔介質成像。我們成像的是通過多孔介質傳遞的力。我認為，這為研究顆粒材料的應力變化開闢了一條新途徑。這確實是我多年來的一個夢想。

利用這種方法，他們能夠準確地證明不規則、有稜角的晶粒是如何比球形晶粒產生更堅固、更穩定的材料的。雖然這是根據經驗得出的結論，但新技術可以根據力的分佈方式，準確地證明為什麼會出現這種情況，並可以在今後的工作中研究各種類型的晶粒，以確定哪些特徵對產生穩定的結構（如鐵路道床的道碴或防波堤上的護坡）最為重要。

胡安內斯說：”由於還沒有辦法觀察到這些材料中的三維力鏈，所以現在很難準確預測滑坡發生的時間，因為我們不知道不同材料的力鏈​​結構。”

要開發出能夠進行這種預測的方法還需要時間，但這最終可能會成為這項新技術的重大貢獻。這種方法也可能應用於許多其他領域，即使是看似無關的領域，如魚卵在攜帶魚在水中游動時的反應，或幫助設計新型機器人抓手，使其能輕鬆適應拾取任何形狀的物體。

編譯來源：ScitechDaily