Hard sphere packing

颗粒堆中的“桥”结构
颗粒堆中结构相关性的各向异性
湿颗粒堆的结构
颗粒堆中的玻璃序


颗粒堆中的“桥”结构

        我们利用显微CT研究了球形颗粒堆积的三维结构。静态颗粒堆积保留着类似于液体的无序结构,但同时能够承受一定的应力而表现的像固体。A.Mehta理论组定义了一种桥状结构,并认为这种结构与力链相关。我们同A.Mehta组合作第一次在真实的三维体系中找到桥状结构,各种表征参数与模拟吻合。研究这些结构及其在趋近阻塞相变时的演化有助于理解阻塞现象,以及从结构学上理解无序固体刚性的根源。 该工作发表在 Europhys. Lett., 102, 24004 (2013).  ( PDF )

图:典型的线性桥(a)复杂桥(b)结构,以及它们的骨架结构(b,d)的示意图




颗粒堆中结构相关性的各向异性

        我们研究了单分散颗粒体系中的静态结构,特别是组成粒子的空间多体相关性。研究表明,通过将传统的对相关函数分解成平移项和取向项,并且在各个取向上展开,可以发现堆积的微观结构有着各向异性的空间相关性;并且,某些特定的具有五重空间对称性的局部结构是该相关性的主要来源,而这些局部结构和分子体系中的“局部最优结构(locally preferred structure)”是一致的。这项研究将液体理论中相关函数高阶展开的方式与颗粒堆积的一些重要的特征结构联系在了一起;也与本身具有各向异性的颗粒堆积、各向异性的局部力学结构存在可能的联系。 该工作发表在 Phys. Rev. E 90, 062201(2014).  ( PDF )

图:普通的对相关函数(b),以及各个不同角度上的对相关函数(c-e)。




湿颗粒堆的结构

        我们对湿颗粒堆进行三维CT 成像,研究它的缓慢动力学和结构演化,用以模拟吸引玻璃(attractive glass)体系。研究发现湿颗粒堆在短程有着大量具有五轴对称性的局部最优结构,与胶体体系相似,而与干颗粒堆积有着显著的区别。这项工作提供了强有力的证据表明在有着吸引相互作用的热平衡或者非热平衡的体系中,可以使用几何阻挫理论(geometrical frustration mechanism)解释动力学阻滞现象。相比之下,两种体系的结构对相关函数变化微小,表明玻璃化转变过程中,更高阶的结构相关函数起着重要的作用。 该工作发表在 Nature Communications 5, 5014 (2014).  ( PDF )

图:湿颗粒堆中局部最优结构随着振动的演化




颗粒堆中的玻璃序

        我们系统性地研究了振动下的颗粒堆积,作为硬球玻璃的实验系统,我们利用了近百个CT来追踪其结构演化,从而研究硬球玻璃化转变的机制。我们将一些接近正四面体的局部结构定义为体系的结构序参量。这种微观结构有着五轴对称性,不能铺满整个空间,表现出分形的结构,同时与体系中的缓慢动力学现象存在空间关联。另外,随着体系堆积密度增加,这种结构的关联长度不断增长,并且与熵驱动的成核模型相符,非常类似于快速降温的晶体生长模型。上述发现表明硬球玻璃化转变可能是类似于结晶过程的一种热力学结构相变。 该工作发表在 Nature Communications 6, 8409 (2015).  ( PDF )

图:弛豫时间(a)和关联尺度(b)作为颗粒堆积体系有效温度的函数。(c-f)准正四面体的微观结构形成的团簇,图c-f的堆积密度依次减小。