近来，上海交通大学物理与天文学院王宇杰研究组在《物理评论快报》上发表了题为“X-ray tomography investigation of cyclically sheared granular materials”的论文。
颗粒物质在外力作用下会屈服并且流动。然而，颗粒物质的流动性质与传统的连续介质体系例如弹性固体或者简单液体有明显的区别，其根本原因是颗粒体系由于其中的组成粒子间存在非弹性碰撞和摩擦，是处于非平衡态的多体耗散体系。现有关于颗粒物质流动行为的工程理论主要是基于经验的宏观本构理论，缺少微观机制和机理，在很多实际应用中遇到了很大的困难。因此从微观动力学、结构学研究开始重建解释颗粒物质流动行为的连续介质理论具有重要的基础物理理论意义和应用价值。
王宇杰课题组通过结合宏观力学测量与CT成像技术，同时得到了受到循环剪切作用的颗粒体系的宏观应力-应变关系以及三维微观结构演化信息，进而研究颗粒流动过程宏观行为对应的微观物理机理。实验发现，颗粒流动的宏观体积以及力学行为由两种微观过程的共同作用所导致，包括粒子的近邻交换以及接触的摩擦效应两种。其中，接触摩擦会导致颗粒体系出现剧烈的体积涨落，进而相比于无摩擦体系会出现显著的剪切膨胀效应。这一发现将帮助理解为何颗粒物质相比于无摩擦的一般无序体系表现出更为明显的体积膨胀现象。此外，对于宏观力学行为，实验发现，同时结合颗粒的近邻重排以及摩擦接触效应将可以建立半经验性的宏观应力-应变本构关系方程。这一研究结果与过去只单一关注颗粒近邻交换信息以及接触摩擦信息的研究思路有着显著差异，将对未来建立更为准确地解释颗粒的流动行为奠定基础，有助于建立新的颗粒体系的连续介质力学框架。
左图：单周期循环剪切下颗粒体系的宏观应力-应变曲线及其半经验拟合。右图：宏观应力-应变关系的微观解释。
论文第一作者是王宇杰课题组直博三年级博士生邢义，合作者有郑杰博士后，李金东和曹一新博士，潘葳副教授和张洁教授，通讯作者为王宇杰教授。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.048002
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