静态颗粒堆积由于结构上与分子原子非晶体系非常类似，过去物理学术界一直认为其微观动力学及力学性质也应该类似于分子原子玻璃。我们利用近千次CT成像原位跟踪准静态循环剪切下的颗粒系统的结构演化；在粒径尺度上，第一次得到了长达三个时间尺度的微观动力学过程。我们发现颗粒物质由于其表面粗糙度（摩擦）引入的新的微观尺度的存在，具有与分子原子无序体系完全不同的微观动力学。实验结果表明，颗粒物质是一种具有多尺度的非晶体系，多尺度一方面会使微观动力学出现普适性，同时也会使颗粒“固体”成为一种正好处在液固相边界的临界固体，它在普通情况下保持固体状态，但是一旦有非常微小的外部微扰，就会像液体一样连续扩散。这对于传统的液固概念是一个很大的挑战，也在一定程度上推翻了现有的工程和物理理论直接忽视了颗粒体系摩擦尺度的研究方式。 该工作发表在 Nature, 551, 360–363(2017).  ( PDF )

        颗粒体系是一种典型的无序体系，体系中粒子具有宏观尺寸，外界馈入的能量会通过非弹性碰撞和摩擦迅速耗散，是具有强烈耗散性质的非平衡态体系。能否将经典的平衡态统计物理推广到颗粒体系之中，是当前的研究热点之一。类似于经典平衡态体系的热温度，有效温度是一种非常典型的非平衡态统计物理参量，已经被证明在颗粒等无序体系中发挥了重要作用。 在该工作中，我们利用X射线CT成像技术获得的颗粒追踪数据，在准静态循环剪切的颗粒体系中，分别通过体系的体积涨落以及示踪粒子的定向和扩散运动，实验测量了基于Edwards系综和爱因斯坦关系两种定义方式的有效温度。在实验中发现，这两种有效温度完全一致，并与各种实验条件无关，证明了两种出发点不同的统计物理框架的一致性和统一性，证明了颗粒物质中存在一个普适的非平衡态统计物理框架和有效温度。该工作对Edwards统计物理框架的验证，对于建立基于微观过程统计平均而不是纯经验的颗粒宏观连续介质力学、以及改变现有的数值模拟需要对每个粒子进行计算的研究模式，具有非常重要的意义。该工作发表在 Phys. Rev. Lett., 129, 228004 (2022).  ( PDF )

       巴西果效应是由于颗粒物质特性所表现出来的一种神奇的现象,其具体表现为当颗粒物质受到外界扰动（如振动、剪切等）时，大的颗粒往往会处在上面，而小的颗粒会处在下面。我们利用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两种机制的共同作用。同时，我们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。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巴西果效应这一现象的认识。 该工作发表在 Science Advance, 7, eabe8737(2021).  ( PDF )

        作为无序体系的一种，颗粒物质在外加应力下会发生塑性变形并产生屈服。但是迄今为止我们对包括颗粒材料在内的无序体系的塑性本质还不是完全理解。晶体的塑性可以通过位错的性质来理解。非晶体系中，是否存在类似于位错一样的缺陷一直是研究的一个热点。我们利用上海光源的原位CT成像装置获得了三维颗粒体系在剪切过程中的结构演化，发现非晶体系中塑性的载体是非常类似于位错的和转动自由度关联的拓扑缺陷-向错。这种缺陷结构也同时对应于过去找到的非晶的四面体结构序的结构缺陷。实验结果表明玻璃化转变对称破缺是发生在转动自由度上。 该工作发表在 Nature Communications, 9, 2911(2018).  ( PDF )

        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 )

        无序体系的动力学会在时空上会表现出很强的不均匀性，叫做动力学非均匀性。过去对动力学非均匀性的研究一般局限在平动自由度的研究上，对具有转动自由度的分子和颗粒体系的研究比较匮乏。除了形状影响之外，颗粒体系中由于摩擦的存在，会加强平动与转动自由度的耦合，因此理解转动自由度的动力学尤其重要。我们使用了X射线CT成像技术研究了循环剪切下的三维椭球颗粒堆积的平动和转动自由度的动力学非均匀性。我们发现动力学不均匀性的团簇大小具有和随机选取团簇类似的形状，具有分形维数2，其空间大小分布满足幂指数率分布，得到的动力学非均匀性性质与热无序体系在玻璃化转变附近的动力学非均匀性非常相似，表明由于体系中无序产生的动力学非均匀性可能具有非常普适的性质，与具体的产生无序的机制无关。我们还发现团簇的寿命分布满足幂指数率分布，而且和选取的时间尺度无关，表明体系所遍历的相空间具有分形的结构。 该工作发表在 Phys. Rev. Lett., 121, 018002 (2018).  ( PDF )

        我们利用显微吸收CT成像技术研究了长棍状颗粒从无序相向向列相演化的过程。我们发现，体系的弛豫时间符合Arrhenius law，且外加振动幅度表征了体系弛豫的有效温度。研究表明非平衡态的颗粒系统可以通过一些热力学参数来描述体系的宏观状态，并且其弛豫过程非常类似于玻璃体系的老化（aging）现象。 该工作发表在 Phys. Rev. E 85, 051311 (2012).  ( PDF )

        在不同振动加速度的连续振动下我们获得了颗粒体系由临近阻塞到密集流体的不同状态。通过在体系中加入示踪颗粒，并利用超快同步辐射X射线相衬成像技术追踪示踪颗粒，通过示踪颗粒的宏观运动和微观动力学得到粘滞系数和扩散系数，从而根据涨落耗散定理计算体系的有效温度。我们发现在趋近于阻塞过程中，体系的本征弛豫时间相比有效温度迅速增加，通过Arrhenius 拟合得到的特征能量尺度和前人关于硬球模型模拟得到的结果吻合，暗示了颗粒体系中的弛豫过程可能是通过克服外加压强产生更多的自由体积的方式进行的。 该工作发表在 Soft Matter 10, 5398 (2014).  ( PDF )

        宏观颗粒体系的组成粒子间存在非弹性碰撞和摩擦，在无外界驱动的条件下总是保持力学稳定的状态。因此，颗粒物质属于非平衡态多体系统，无法用经典的平衡态统计物理描述。然而，颗粒物质受到恒定的外部激励（如振动或循环剪切）时，总是表现出类似于平衡态的性质。上世纪90年代，剑桥大学S. F. Edwards教授及合作者提出了颗粒物质的统计力学系综框架，成为相关领域的长期以来的研究热点。课题组结合3D打印机制备了三种具有不同摩擦系数的球形颗粒样本，进而利用 CT成像技术研究了它们在不同振动强度下的稳态堆积结构。实验结果证实了体积系综框架适用于颗粒物质，给出了颗粒温度、熵等计算结果；验证了颗粒温度满足热力学第零定律；并且澄清了摩擦通过改变力学稳定堆积的态密度进而影响颗粒物质统计力学的机制。 该工作发表在 Phys. Rev. Lett. 127, 018002 (2021).  ( PDF )

        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。我们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。对于宏观力学行为，我们同时结合颗粒的近邻重排以及摩擦接触效应建立了半经验性的宏观应力-应变本构关系方程。这对未来更为准确地解释颗粒的流动行为奠定基础。 该工作发表在 Phys. Rev. Lett. 126, 048002(2021).  ( PDF )

        硬球系统是研究诸如液体、胶体和金属玻璃等多粒子体系的重要模型，在统计力学和材料科学研究中有重要的地位。研究中，利用X射线断层扫描技术来研究不同大小比、组分比的双分散硬球堆积的三维结构。采用一种新的理论方法来表征系统结构，确定了其结构静态关联尺度。实验结果证明粒子的结构实际上比预期要有序的多——结构的空间关联实际能延伸到非常远的距离。这项实验揭示的结构对称性，在以往工作中都没有被认识到。研究结果表明，在无序体系中，高效的堆积与短结构关联长度直接对应。同时证明新的理论方法是一种表征多组分无序系统结构的强有力新方法，不仅有助于提高我们对无序系统的理解，而且为设计新的自组装材料和玻璃系统提供了新的思路。该工作发表在 Phys. Rev. Lett. 127, 278001(2021).  ( PDF )

        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 )

        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 )

        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 )

        我们利用医用CT对椭球的随机堆积结构进行了研究。研究发现，颗粒形状的非球性引入了一个有效的颗粒大小多分散效应，从而可以将椭球堆积映射到一个多分散的球形颗粒堆积上。同时，颗粒的非球性或者大小多分散降低了体系的空间相关性，从而可以用一平均场模型——“颗粒中心模型（granocentric model）”——来描述堆积结构。这项工作为今后研究更复杂的各向异性颗粒的堆积打下了基础并提出了一个可能的研究方向。 该工作发表在 Soft Matter 10, 990 (2014).  ( PDF )

        我们利用同步辐射X射线同轴相衬成像技术，对一系列不同长宽比的棍状颗粒堆积成像，研究了它们的微观结构，包括接触数、自由体积等，与颗粒形状的关系。 该工作发表在 Chinese Phys. B 23, 044501 (2014).  ( PDF )