新技术可将颗粒材料内部的作用力以3D细节的形式呈现出来

麻省理工学院的研究人员开发出一种方法，可以进行三维实验，揭示力如何通过颗粒材料传递，以及颗粒的形状如何极大地改变实验结果。在这张照片中，三维光弹性颗粒在外部负载作用下发光并改变颜色。图片来源：Ruben Juanes

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开发出一种方法，可以进行详细的三维实验，准确揭示力是如何通过颗粒材料传递的，以及颗粒的形状是如何极大地改变结果的。这项新工作可能有助于更好地了解山体滑坡是如何引发的，以及如何在工业流程中控制颗粒材料的流动。麻省理工学院土木与环境工程系教授鲁本-胡安内斯（Ruben Juanes）和现任教于石溪大学的李伟（Wei Li，14 级 SM，19 级博士）在《美国科学院院刊》（PNAS）上发表了一篇论文，对上述研究成果进行了描述。

从土壤和沙子到面粉和糖，颗粒材料无处不在。"它是日常用品，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材料上。而颗粒介质的失效可能是灾难性的，比如山体滑坡。这项研究的一个主要发现是，我们从微观上解释了为什么一包角状粒子比一包球状粒子更强。"

胡安内斯补充说："从根本上了解材料的整体反应始终是非常重要的。我可以看到，在未来，这将为预测材料何时失效提供一种新的方法。"

对这些材料的科学认识真正开始于几十年前，当时人们发明了一种方法，用二维圆盘来模拟这些材料的行为，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，但也面临着严重的局限性。

在之前的工作中，李开发出了一种通过挤压成型技术制造三维颗粒的方法，这种方法制造出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，在这项最新研究中，他和胡安内斯运用这种方法揭示了颗粒材料在施加负载时的内部应力，这种全三维系统能更准确地反映现实世界中的颗粒材料。

成像技术和未来应用

这些粒子具有光弹性，这意味着当受到应力时，它们会根据应力的大小改变穿过它们的任何光线。"因此，如果你用偏振光照射它，并对材料施加应力，你就能直观地看到应力在哪里发生了变化，表现为材料呈现出不同的颜色和亮度"。这种材料已经使用了很长时间，但"从未完成的一项关键工作是，当这些材料浸泡在流体中，流体可以流过材料本身时，能够对其应力进行成像"。

胡安内斯强调说，能够做到这一点非常重要，因为"相关的多孔介质--生物多孔介质、工业多孔介质和地质多孔介质--它们的孔隙中通常含有流体，流体将通过这些孔隙进行水力传输。这两种现象是耦合的：应力如何传递以及孔隙流体压力是多少。"

问题是，在使用二维圆盘进行实验时，圆盘会以完全阻塞流体的方式堆积起来。只有使用三维的大量晶粒，流体才能始终有通道流过，这样就可以在流体运动时监测应力。

使用这种方法，他们能够证明"当你压缩颗粒材料时，力会以我们称之为链或丝的形式传递，而这种新技术能够将其可视化并在三维空间中描绘出来"，胡安内斯说。

为了获得三维视图，他们结合使用了照亮力链的光弹性技术，以及一种被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三维图像。

由于珠粒浸泡在一种折射率与聚氨酯珠粒本身完全相同的液体中，因此如果珠粒没有受到应力，当光线透过容器照射时，珠粒是看不见的。然后，施加应力，当偏振光照射过去时，应力就会以光和颜色的形式显现出来，胡安内斯说。"真正了不起和令人兴奋的是，我们不是在给多孔介质成像。我们成像的是通过多孔介质传递的力。我认为，这为研究颗粒材料的应力变化开辟了一条新途径。这确实是我多年来的一个梦想。"

利用这种方法，他们能够准确地证明不规则、有棱角的晶粒是如何比球形晶粒产生更坚固、更稳定的材料的。虽然这是根据经验得出的结论，但新技术可以根据力的分布方式，准确地证明为什么会出现这种情况，并可以在今后的工作中研究各种类型的晶粒，以确定哪些特征对产生稳定的结构（如铁路道床的道碴或防波堤上的护坡）最为重要。

胡安内斯说："由于还没有办法观察到这些材料中的三维力链，所以现在很难准确预测滑坡发生的时间，因为我们不知道不同材料的力链结构。"

要开发出能够进行这种预测的方法还需要时间，但这最终可能会成为这项新技术的重大贡献。这种方法还可能应用于许多其他领域，即使是看似无关的领域，如鱼卵在携带鱼在水中游动时的反应，或帮助设计新型机器人抓手，使其能轻松适应拾取任何形状的物体。

编译来源：ScitechDaily