一項新技術允許在三維細節中可視化顆粒材料的內力，克服了以前在觀察其行爲方面的挑戰。
顆粒狀物質，即由單個碎片組成的物質，無論是沙粒、咖啡豆還是鵝卵石，都是地球上最豐富的固體物質。這些物質移動的方式和對外力的反應，可以決定什麽時候發生山體滑坡或地震，以及更常見的事件，比如谷物從盒子裏出來時是如何堵塞的。
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于二維實驗，無法揭示這些材料行爲的全貌。
現在，麻省理工學院的研究人員已經開發出一種方法，可以進行詳細的3D實驗，可以准確地揭示力是如何通過顆粒材料傳遞的，以及顆粒的形狀如何極大地改變結果。這項新工作可能會帶來更好的方法來理解山體滑坡是如何引發的，以及如何控制工業過程中顆粒材料的流動。這一發現發表在《美國國家科學院院刊》上，作者是麻省理工學院土木與環境工程學教授魯本·胡安斯和現任石溪大學教員的李維（音譯）博士。
顆粒材料的普遍性和重要性
從土壤和沙子到面粉和糖，顆粒狀物質無處不在。“這是一件日常用品，是我們基礎設施的一部分，”李維說。“當我們進行太空探索時，我們的太空飛行器會降落在顆粒狀物質上。顆粒介質的破壞可能是災難性的，比如山體滑坡。”
“這項研究的一個主要發現是，我們提供了一種微觀解釋，解釋了爲什麽一組角狀粒子比一組球體更強，”李維說。
魯本·胡安斯補充說：“在基本層面上，了解材料的整體反應總是很重要的。我可以看到，未來，這可以提供一種新的方法來預測材料何時會失效。”
魯本·胡安斯解釋說，對這些材料的科學理解真正開始于幾十年前，當時發明了一種方法來模擬它們的行爲，使用二維圓盤來表示力是如何通過粒子集合傳遞的。雖然這提供了重要的新見解，但它也面臨著嚴重的限制。
在之前的工作中，李維開發了一種通過擠壓成型技術制造三維顆粒的方法，這種技術生産的塑料顆粒沒有殘余應力，幾乎可以制成任何不規則形狀。現在，在這項最新的研究中，他和胡安斯已經應用這種方法來揭示顆粒材料在載荷作用下的內應力，在一個完全三維的系統中，更准確地代表了真實的顆粒材料。
成像技術及其未來應用
這些粒子是光彈性的，魯本·胡安斯解釋說，這意味著當受到壓力時，它們會根據壓力的大小改變任何通過它們的光。“所以，如果你用偏振光照射它，並對材料施加壓力，你可以看到壓力變化發生的地方，以材料中不同的顔色和不同的亮度的形式。”
這種材料已經使用了很長時間，魯本·胡安斯說，但是“關鍵的事情之一是，當這些材料浸入流體中時，流體可以流過材料本身，因此無法成像這些材料的應力。”
他強調，能夠做到這一點很重要，因爲“我們感興趣的多孔介質 —— 生物多孔介質、工業多孔介質和地質多孔介質 —— 它們的孔隙空間中通常含有流體，這些流體將通過這些孔隙被水力輸送。這兩種現象是耦合的：應力是如何傳遞的，孔隙流體壓力是多少。”
問題是，當使用一組二維圓盤進行實驗時，這些圓盤會以一種完全阻擋流體的方式堆積起來。只有有了三維質量的顆粒，流體才會有流過的路徑，這樣才能在流體運動時監測到應力。
使用這種方法，他們能夠證明“當你壓縮顆粒狀材料時，力以我們稱之爲鏈或細絲的形式傳遞，這種新技術能夠在三維空間中可視化和描繪，”魯本·胡安斯說。
爲了獲得3D視圖，他們結合使用光彈性來照亮力鏈，同時使用一種稱爲計算機斷層掃描的方法，類似于醫學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3D圖像。
由于顆粒浸沒在一種與聚氨酯顆粒本身具有完全相同折射率的液體中，如果沒有壓力，當光線穿過它們的容器時，這些珠子是看不見的。然後，施加壓力，當偏振光照射進來時，壓力就會顯示爲光和顔色，魯本·胡安斯說：“真正引人注目和令人興奮的是，我們沒有對多孔介質進行成像。我們正在對通過多孔介質傳遞的力進行成像。我認爲，這開辟了一種研究顆粒材料應力變化的新方法。這真的是我多年來的夢想。”，他表示，多虧了李維在這個項目上的工作，這個夢想才得以實現。
利用這種方法，他們能夠准確地證明，不規則的、有棱角的顆粒是如何産生比球形顆粒更堅固、更穩定的材料的。雖然這是經驗上已知的，但這項新技術使人們有可能根據力的分布方式，准確地證明爲什麽會這樣，並將使未來的工作成爲可能，研究各種各樣的顆粒類型，以確定在生産穩定結構（如鐵路床的壓載物或防波堤上的抛石）時，確切地確定哪些特征是最重要的。
由于沒有辦法觀察這些材料中的三維力鏈，魯本·胡安斯說，“現在很難准確地預測滑坡何時發生，因爲我們不知道不同材料的力鏈結構。”
李維說，開發能夠做出這種預測的方法需要時間，但這最終可能是這項新技術的重大貢獻。這種方法的許多其他應用也是可能的，甚至在一些看似無關的領域，比如魚攜帶魚卵在水中遊動時魚卵的反應，或者幫助設計新型的機器人抓取器，這些抓取器可以很容易地適應任何形狀的物體。
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