同步辐射X射线成像研究颗粒物理

Granular materials are by nature out of equilibrium. Both static granular packing and dense granular flow have many complex properties, and are closely related to many important engineering applications. In addition, granular system serves as a macroscopic model system to simulate glass transition for atomic or molecular systems. Based on previous works, we will continue utilizing the synchrotron X-ray imaging techniques at SSRF to study granular materials. By imaging the microscopic structure and dynamics of granular systems, we will investigate their various phases and establish the non-equilibrium statistical mechanics framework for these naturally out-of-equilibrium systems. Some of the specific research topics include: we will continue investigating the structural origin of amorphous phase transitions related to jamming and glass transition; we will investigate the behaviors of amorphous materials under shear and try to understand the mechanism for shear band formation. Some of the related topics we will also investigate include: the competition of crystalline and glass order in granular packing, the glass transition of wet granular packing as a model system for attractive glass, and the mean-field model for glass transition of non-spherical granular systems.

颗粒物质是非平衡态体系，颗粒堆积形成的无序固体以及液态的密集颗粒流都有着非常复杂的性质，其本身也与很多重要工程应用问题息息相关；同时颗粒体系也可以作为分子原子体系的宏观模型，用以研究玻璃化转变等问题。本课题将在前期工作的基础上，依托上海同步辐射光源的X射线成像技术，继续深入研究颗粒体系的微观结构和动力学，建立颗粒物理的非平衡态的统计力学和热力学框架，在此基础上理解颗粒体系不同的相以及相变问题。具体的研究包括结构在非晶相变过程中的作用，理解阻塞相变和玻璃化转变的机理；寻找非晶固体的结构“缺陷”，研究其在剪切作用下的热力学和动力学，以及形成剪切带的过程，从而理解非晶固体塑性形变、以及密集颗粒流的流变学。本项目同时涵盖的其他一些研究内容包括：颗粒堆积中的晶体序和玻璃序的竞争；湿球体系作为吸引玻璃的玻璃化转变；非球形颗粒体系的玻璃化转变的平均场模型等。

作为软物质中的重要一类，颗粒物质的研究已经从过去的单纯应用研究走到了基础物理研究的前列。2005年Science杂志列举的125个还未解决的重大科学问题中有两个与颗粒物质有关，包括了颗粒流的流变特性的流体力学描述和玻璃化转变的机理两个问题。课题组主要依托上海光源与BL13W1 成像线站开展合作研究，利用同步辐射成像技术以及其他一些X射线成像技术，对颗粒物质的结构、动力学、相变行为进行了系统研究，取得的重要结果包括：（a）利用颗粒体系研究了硬球玻璃体系中普遍存在的密度与微观平均原子间距间非三次方幂律,发现其与硬球玻璃体系一般处在阻塞相变点而具有“临界”固体性质有关；（b）对循环剪切下的颗粒非晶固体的动力学进行了研究，揭示了传统意义上的颗粒“固体”实际上是一种处在液固相边界的临界固体；（c）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，实验结果表明体系中动力学非均匀性与具体的产生无序的机制无关；（d）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，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；（e）通过结合宏观力学测量与CT成像技术，得到了剪切盒中受到循环剪切作用的颗粒的宏观应力-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粒子的近邻交换以及接触的摩擦效应两种微观过程的共同作用所导致；（f）通过分析三维循环剪切下颗粒物质的微观结构和动力学对颗粒物质的分离机制进行了系统的研究。实验结果表明，循环剪切下的颗粒物质分离过程存在流场作用和成拱作用两种机制。