高速X射线及可见光成像技术研究颗粒物理

颗粒体系的阻塞相变机理和密集颗粒流的流体力学描述是软凝聚态物理迄今悬而未决的热点问题。本课题将综合同步辐射X射线相衬成像技术、X射线CT成像技术及高速可见光成像技术研究颗粒系统中的阻塞态形成机理、密集颗粒流的流体力学描述及随机密堆结构的本质。高速X射线成像技术将第一次实现动态地研究颗粒体系的内部结构和流场。前期研究中，我们在三维颗粒体系中第一次发现了阻塞相变中动态非均匀性在接近相变点时的发散现象，而且观测到了密集颗粒流的内部微观动力学过程。本课题将在前期研究基础上，综合以上各种实验技术，系统地研究不同颗粒体系中的阻塞相变机理，同时建立密集颗粒流中微观动力学过程与宏观流体力学描述的关系。

颗粒物理研究在过去二十年得到了很大的发展，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其中就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。课题组借助同步辐射X射线成像技术，以及医用CT成像等技术手段，在玻璃化转变机制、密集颗粒流的流变学、静态颗粒（多分散球状、单分散球状、椭球、棍状颗粒等）堆积结构等重要科学问题上都取得了非常重要的结果。特别是在玻璃化转变问题上，课题组通过湿颗粒模拟具有相互吸引的原子体系，在其中找到了具有五轴对称性的局部最优结构，为玻璃化转变的几何机制提供证据支持；在后续工作中课题组又系统性地研究了不同振动条件（温度）下的颗粒堆积（硬球玻璃的模型系统），揭示了玻璃化转变可能是一种特殊的结构相变，有望对已经争论了几十年的玻璃化转变的机制研究提供重要证据和方向。这两项工作都发表于《自然-通讯》（Nature Communications）杂志。在利用X射线成像技术研究颗粒物理的同时，课题组也追踪和发展X射线成像技术，在上海光源搭设了一套高分辨率光栅X射线相衬成像装置，在生物医学影像领域取得了一些结构，在无造影剂情况下识别了肿瘤新生血管、肿瘤微小转移病灶等，有望应用于一些前沿生物医学问题的研究。