磁共振成像技术研究非球形颗粒堆积的结构相变

This research project focuses on the packing problem of non-spherical granular materials with the applications of magnetic resonance imaging (MRI) techniques. We will study the microscopic structural order of disorder granular packing to understand the structural mechanism of the glass transition of granular system. We will also study the ordering process of granular materials as an entropy-driven phase transition. To do this, we will begin with the analyses of the local structures and thermodynamic properties of the packing, to understand the underlying mechanism of such transition into ordered structures. Experimentally, we will use MRI techniques to observe the inner structures of granular packing, and to obtain local structural information of the packing which is inaccessible to macroscopic granular experiments. Specifically, we will study granular packing composing particles of different shapes such as cylinder or polyhedron, in addition to hydrogel particles as soft granular material. We will analyze the local contact structure and medium-to-long-range structural correlations of different packing, and the different symmetric properties of individual particle and its local structural order, to establish the link between particle shape and the global packing properties. The structural study of granular system using MRI is a foundation for the future systematic research of the static, mechanical and dynamic properties of granular systems.

本项目利用磁共振成像技术，研究非球形颗粒物质的堆积问题。我们将研究颗粒无序堆积中的微观结构序，理解体系发生玻璃化转变的结构机制。我们也将研究颗粒物质形成有序结构这一熵驱动相变过程，分析微观结构及体系的热力学状态，从而理解体系有序化转变的结构及统计力学机制。实验上，我们将利用磁共振成像技术，观察三维颗粒堆积的内部结构，获取颗粒物质宏观实验所无法得到的微观结构信息。具体的，我们将研究圆柱体、多面体等不同形状的颗粒物质，以及水凝胶软颗粒。我们将通过分析颗粒接触尺度的结构，以及中长程的结构相关性，分析颗粒自身形状的对称性与其结构序的对称性，建立微观的颗粒形状与宏观的堆积性质的联系。本项目利用磁共振成像技术研究颗粒堆积结构，为将来利用其他多样化的磁共振成像技术，全面研究颗粒物质的结构、力学、动力学性质打下基础。

颗粒堆积结构是理解颗粒物质力学、流变等宏观现象的基础。非球形颗粒由于更丰富的几何特征以及额外的取向自由度，可能导致堆积结构发生复杂的结构转变，其中的机理并不明晰。在本项目中，我们研究几类具有代表性的颗粒物质，总结了粒子非球性影响堆积结构的一些规律。我们通过巧妙设计颗粒样品，结合磁共振成像的特点，重建了几类非球形颗粒堆积的三维结构，获取了不同堆积密度下的结构信息，并结合统计力学模型，理解结构转变现象的微观机制。研究主要针对正多面体颗粒以及不同长宽比的柱状颗粒。.我们将几种正多面体颗粒堆积制备到不同的堆积密度，通过磁共振成像重建其堆积结构，发现随着颗粒形状中的棱角与平面越发明显，堆积结构的粒子质心位置相关性不断降低，而取向相关性增加，其有序化过程具有明显的取向依赖性。.我们研究了高径比为1的圆柱状粒子，发现其在高堆积密度下形成了取向立方对称的有序结构，其原因在于柱状粒子的顶面和侧壁引起了很强的局域取向相关。我们基于实验数据，借助推广的统计力学模型，自洽地给出了体系堆积密度增加时的有序化过程。这一初步研究表明，利用适用于颗粒物质的统计力学可以预言非球形颗粒复杂的结构有序化现象。我们还研究了高径比为0.2左右的圆片状粒子，发现随着堆积密度增加，体系的取向有序程度反而降低的反常现象。通过细致分析局域堆积结构的变化，我们发现片状粒子首先形成了局域的堆叠结构，而堆叠结构的大小增长降低了粒子间排除体积的各向异性，从而削弱了整体的取向序。这一机制可能在一系列扁平粒子的非平衡结构转变中存在，从而具有一定的普适性。.综上所述，本项目完成的这些研究工作展示了利用磁共振成像技术研究各类具有复杂形状的颗粒物质的优势，并揭示了部分由于形状效应所导致的新颖的结构转变规律，可作为未来深入理解颗粒形状影响堆积宏观性质的基础。