麻省理工学院的工程师们利用一种新的实验技术，探索了山体滑坡和地震的机制

颗粒状物质，即由单个碎片组成的物质，无论是沙粒、咖啡豆还是鹅卵石，都是地球上最丰富的固体物质形式。这些材料的移动和对外力的反应方式可以决定何时发生山体滑坡或地震，以及更平凡的事件，例如谷物如何堵塞开箱即用。然而，分析这些流动事件的发生方式以及决定其结果的因素一直是一个真正的挑战，大多数研究都局限于二维实验，无法揭示这些材料行为的全貌。

现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法，可以进行详细的3D实验，可以准确地揭示力是如何通过颗粒材料传递的，以及颗粒的形状如何显着改变结果。这项新工作可能会为理解山体滑坡是如何触发的，以及如何控制工业过程中颗粒材料的流动提供更好的方法。麻省理工学院土木与环境工程教授Ruben Juanes和Wei Li SM ’14，PhD ’19在 PNAS 杂志上的一篇论文中描述了这些发现，他现在在石溪大学任教。

从土壤和沙子到面粉和糖，颗粒材料无处不在。“它是一种日常用品，是我们基础设施的一部分，”李说，“当我们进行太空探索时，我们的太空飞行器降落在颗粒材料上。颗粒介质的失效可能是灾难性的，例如山体滑坡。

“这项研究的一个主要发现是，我们提供了一个微观解释，解释了为什么一包角粒子比一包球体更强，”李说。

Juanes补充道：“从根本上讲，了解材料的整体反应总是很重要的。我可以看到，向前迈进，这可以提供一种新的方法来预测材料何时会失效。

Juanes解释说，对这些材料的科学理解真正开始于几十年前，当时发明了一种使用二维圆盘来模拟它们的行为的方法，这些圆盘代表了力如何通过粒子集合传递。虽然这提供了重要的新见解，但它也面临着严重的局限性。

在之前的工作中，Li开发了一种通过挤压成型技术制造三维颗粒的方法，该技术可以产生没有残余应力的塑料颗粒，并且几乎可以制成任何不规则形状。现在，在这项最新的研究中，他和Juanes应用这种方法来揭示颗粒材料在施加载荷时的内应力，在一个完全三维的系统中，该系统更准确地表示了现实世界的颗粒材料。

Juanes解释说，这些粒子是光弹性的，这意味着当处于压力下时，它们会根据应力的大小改变任何通过它们的光。“所以，如果你用偏振光照射它，并对材料施加压力，你可以在视觉上看到压力变化发生的地方，以材料中不同的颜色和不同的亮度的形式出现。

Juanes说，这种材料已经使用了很长时间，但“从未完成的关键事情之一是能够对这些材料浸入流体中的应力进行成像，流体可以流过材料本身。

他强调，能够做到这一点很重要，因为“感兴趣的多孔介质——生物多孔介质、工业多孔介质和地质多孔介质——它们的孔隙空间中通常含有流体，并且流体将通过这些孔隙开口进行液压输送。这两种现象是耦合的：应力是如何传递的，以及孔隙流体压力是多少。

问题是，当使用一组二维圆盘进行实验时，圆盘会以完全阻挡流体的方式包装。只有具有三维颗粒质量的颗粒，流体才会始终有流体流动的路径，以便在流体移动时可以监测应力。

使用这种方法，他们能够证明“当你压缩颗粒材料时，这种力以我们称之为链或细丝的形式传递，这种新技术能够在三维空间中可视化和描绘，”Juanes说。

为了获得3D视图，他们使用光弹性的组合来照亮力链，以及一种称为计算机断层扫描的方法，类似于医学CT扫描中使用的方法，从一系列2,400张平面图像中重建完整的3D图像，当物体旋转360度时。

由于颗粒浸入与聚氨酯颗粒本身具有完全相同折射率的流体中，因此如果珠子没有受到压力，当光线照射穿过其容器时，珠子是看不见的。然后，施加应力，当偏振光照射透时，将应力显示为光和颜色，Juanes说。“真正引人注目和令人兴奋的是，我们没有对多孔介质进行成像。我们正在对通过多孔介质传递的力进行成像。我认为，这开辟了一种研究颗粒材料应力变化的新方法。他补充说，“这真的是我多年来的梦想”，他说这要归功于李在这个项目上的工作。

使用这种方法，他们能够准确地证明不规则的、有棱角的颗粒是如何产生比球形颗粒更坚固、更稳定的材料的。虽然这在经验上是已知的，但新技术可以根据力的分布方式来确切地证明为什么会这样，并将在未来的工作中研究各种晶粒类型，以确定哪些特性在生产稳定结构中最重要，例如铁路床的道砟或防波堤上的防波堤。

Juanes说，由于没有办法观察这些材料中的3D力链，“现在很难精确预测何时会发生山体滑坡，因为我们不知道不同材料的力链结构。

Li说，开发能够做出这种预测的方法需要时间，但这最终可能是这项新技术的重大贡献。该方法的许多其他应用也是可能的，甚至在看似无关的领域，例如鱼卵在水中移动时鱼卵的反应，或者帮助设计新型机器人抓手，这些机器人抓手可以很容易地适应拾取任何形状的物体。

这项工作得到了美国国家科学基金会的支持。