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Science Advances发表王宇杰课题组颗粒物质巴西果效应研究成果

颗粒物质在我们生活中无处不在,而且会表现出一些特殊的物理现象。其中,巴西果效应就是这种现象之一。其具体表现是,当颗粒物质受到外界扰动时,大的颗粒会处在上面,而小的颗粒会处在下面。巴西果效应得名于欧洲的一种叫穆兹利的食物,穆兹利是由燕麦片和一种叫巴西果的干果混合而成的,欧洲人习惯于用这种食物作为早餐。人们发现那些早起最先吃早餐的人总是能够从装穆兹利的容器中倒出最大的巴西果,而那些晚起后吃早餐的人倒出的巴西果总是较小的。对于巴西果效应的研究可以影响到小到一顿早餐,大到外星探索。

图 巴西果效应,(a)振动后的坚果混合物大的坚果处在上面;(b)矿石在运输过程中大块矿石在上面,小块矿石在下面;(c)山体滑坡过程中,大的石块出现在表面;(d)火星表面大的石块出现在其表面。

近来,亚博赞助西甲王宇杰课题组利用CT成像技术研究了循环剪切下方形容器中颗粒物质的巴西果效应,发现巴西果效应的形成受对流和成拱效应的共同作用,并通过对颗粒体系的微观结构和动力学进行分析,给出了这两种作用的产生的具体物理过程。实验发现,循环剪切下的颗粒系统中存在对流,其对流形态如下图(c)所示,颗粒形成的对流在中间部分向上运动,到达系统顶部后又会流到装置的四个角落,并形成向下流动的通道,最终到达系统底部完成循环。但实验系统中颗粒物质向下流场通道的宽度随着深度的增加会逐渐减。氏殖龅棺短逍巫,这使得系统中的大颗粒在随对流向下运动的过程中受其尺寸的影响而不能进入到系统更深的地方,只能滞留在系统的顶部,从而呈现出巴西果效应。另一方面,实验通过比较大颗粒在上升过程中的速度和周围流场的速度发现,大颗粒更容易被周围的小颗粒形成的桥或者拱结构所支撑,其上升速度要大于周围流场的速度,也对巴西果效应产生影响,这一实验充分利用了三维CT成像技术的优势,将宏观的运动现象与微观结构和动力学连接到一起,进一步加深了人们对颗粒物质独特的巴西果效应这一现象的认识。

图 (a)烧热水时,水形成对流;(b)鹅卵石形成的拱;(c)循环剪切下的颗粒系统中,颗粒物质形成的对流示意图;(d)循环剪切下的颗粒系统中的复杂桥结构。

该工作论文第一作者为亚博赞助西甲王宇杰课题组博士生李智峰,通讯作者为王宇杰教授,合作作者有博士生曾志坤、邢义,李金东博士,郑杰博士后,张洁教授,本科生毛清昊,中国科学院物理研究所厚美瑛研究员。该工作得到了国家自然科学基金支持。

论文链接https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabe8737。

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