重塑我们对颗粒系统的理解

罗切斯特的研究人员正在揭示颗粒形状在药物、谷物和山体滑坡等颗粒系统混合中的意外作用

你的早餐麦片、一罐坚果、遥远星球的沙子，甚至你城市里的混凝土，都是我们周围颗粒系统的例子。这些系统隐藏着秘密，可能会改变我们把事情搞混的方式

在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇新论文中，罗切斯特大学的科学家，包括地球与环境科学以及机械工程助理教授Rachel Glade；Fernando David Cúñez，曾是Glade实验室的博士后研究员，现在是罗切斯特理工学院的博士后研究员；和Div Patel研究了颗粒材料，并揭示了颗粒形状在颗粒系统行为中所起的意想不到的作用

“颗粒材料有特殊的行为，”Cúñez说，“但我们对它们的确切行为不太了解，因为它们的行为取决于许多不同的情况。”

巴西坚果效应

谷物、药品、沙子和混凝土等颗粒材料通常以颗粒根据大小而非均匀混合的方式组织。例如，在一罐坚果中，最大的坚果通常位于顶部，这种现象被称为“巴西坚果效应”。

巴西坚果效应可能会对包括食品和药品在内的许多行业造成滋扰，因为它会阻碍均匀混合。它在自然界也有影响，颗粒分离可以改变滑坡、侵蚀和泥石流等地质灾害的动力学

虽然这种现象是众所周知的，但人们还没有完全理解。研究人员传统上也关注晶粒的大小，之前的大多数研究都假设晶粒是球形的——这种均匀性很少反映现实

形状变化动力学

Glade和她的团队使用先进的计算机模拟，将旋转滚筒和河流状装置中的球体混合物与球体和立方体混合物进行比较，以分别研究颗粒形状如何影响干燥和潮湿条件下的偏析。他们的研究表明，即使是晶粒形状的微小差异也会显著改变晶粒偏析的动力学

罗切斯特的研究人员使用计算机模拟将球体的混合物（左）与球体和立方体的混合物（右）进行比较，以研究颗粒形状如何影响偏析。在干燥的球体-立方体混合物中，偏析倾向于减少，大多数较大的球体上升到顶部，但程度低于纯球体混合物。来源：Glade Lab

具体而言，研究人员在干燥系统混合物中发现了以下模式：

在不同大小球体的混合物中：当大体积球体和小体积球体之间的比例更大时，偏析增加，更多的大球体上升到顶部。在相同大小的球体加上较大立方体的混合物中：偏析倾向于与仅球体的情况相同，较大的球体上升到顶部。在相同大小的球体加上较小立方体的混合物中：偏析倾向于减少，大多数较大的球体上升到顶部，但程度小于仅球体的混合物

有趣的是，在流体系统中，趋势相反：在相同大小的球体加上较小的立方体的混合物中，较小的立方体会移动到顶部

Glade说：“一种观点是，颗粒形状在数量上改变了偏析——在干燥的滚筒情况下，立方体减少了偏析的数量——在潮湿的河流情况下，立方改变了偏析的模式。”

重塑工业和自然

未来的研究将探索为什么会发生这些分离变化。研究人员推测，这可能是由几个因素造成的，包括施加在不同颗粒上的力，这些力使它们粘在一起，并以不同的方式抵抗运动

无论如何，这项研究表明了晶粒形状在各个领域中的重要性

Glade强调了更广泛的含义，“我们的工作从物理学、工程学和地球科学中汲取灵感，证明了跨学科研究的重要性。这一合作为未来更好地理解和预测地质灾害、缓解工业流中的分离问题以及增强我们对地球和其他行星上颗粒材料的理解铺平了道路。”