[科普中国]-颗粒物质

颗粒物质是指粒径在1微米以上的离散体系，又称为颗粒介质。分子间作用力不再显著并且在该尺度下不适用于布朗运动。1

主要类型颗粒物质在自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在，例如：自然界中沙石、土壤、浮冰、积雪等；日常生活中的粮食、糖、盐等；生产和技术中的煤炭、矿石、建材以及不少药品、化工品也为颗粒物质。很多其他离散态物质体系，例如散装货物输送、地球板块运动及公路上车辆的流动等也常作为颗粒体系来处理。可以说，颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一。1

特征颗粒物质一般指由尺寸d≥1um；的颗粒组成的宏观体系.当颗粒尺度小于1um时，热运动即布朗运动会有重要影响。若颗粒尺度更小，微观相互作用则起主要作用。因此，这些小尺度的颗粒的运动规律与宏观颗粒不同。对于宏观颗粒，经典力学可以给出单个颗粒运动状态的精确解。 然而，大量颗粒组成的体系具有特别的性质和运动规律。颗粒物质静止时类似于固体，流动时则类似于液体或气体。向地板上撒一筒沙子，沙粒并不会像水那样平铺在地板上，处于势能最小状态，而是根据抛洒方式及过程的不同形成各种不同的堆积形态，即有许多亚稳态。若将支撑一个沙堆的地板慢慢倾斜，沙子会发生流动，然而这种流动只发生在沙堆的表面几层。如果在沙堆上继续添加沙粒或施加扰动，超过某一临界状态时，就会引起沙堆崩塌! 拿一块石子扔向沙堆，石子不会像撞在固体表面那样反弹，而是将其动能完全耗散在沙堆中。 向一个容器内填充颗粒，颗粒对容器底部施加的压强先随颗粒填充高度增加而变大。到一定高度后，压强会趋于某一饱和值而不再增大，称之为“粮仓效应”。

颗粒有成拱的特性，颗粒物质中的力通过不均匀力链传递，不像固体和液体中的应力会均匀分布。振动会引起不同大小和质量颗粒的分离，也可在颗粒体系表面形成各种斑图。颗粒流动中的稀疏流、密集流和堵塞等行为不同于一般流体运动。

颗粒物质的状态，有时很稳定，而在有些情况下，会因极小的作用而改变，如发生崩塌。所有这些表明，颗粒物质是不同于固体、液体和气体的一种特殊的物质形态，它具有丰富的现象和不同于固、液、气物质的独特的运动规律。

颗粒物质中的相互作用不同于原子或分子之间的作用，颗粒之间作用主要是摩擦力以及碰撞，对其组成的单个颗粒本身的物理性质不敏感! 若用硬球来表示颗粒，任意堆积的颗粒结构呈无序状态。1

研究历史利用颗粒物质的特性及开展对颗粒物质的研究已有很长的历史。颗粒物质的一些独特性质早已为人们发现。沙漏作为计时器比水漏更简便和准确，就是利用了沙粒从孔中流出的流速不像水流那样随压强改变的特性。通过簸箕的颠、摇、晃把沙粒、谷皮等杂质从谷物中分离出来，则是利用外加振动实现颗粒分离的常见例子。这一现象的发现相当久远，我国至少在南朝就有“簸之扬之，糠秕在前。洮之汰之，砂砾在后。 ”的说法了（ 出自《世说新语》，南朝.宋）。文艺复兴之后的几个世纪以来，不少著名科学家研究过颗粒物质。库伦最早提出沙堆倾斜角度与摩擦系数关系，他的有关固体摩擦问题的表述现在还被反复提及。 法拉第发现振动使颗粒形成对流而堆积起来。雷诺1885年指出，如果颗粒紧密堆积在一个弹性袋中，任何外加作用都会使颗粒所占体积增大，称之为雷诺挤压膨胀原理。1884年，英国科学家首先注意到前面提到的粮仓效应后，德国工程师janssen H在1895年提出一个模型来解释粮仓效应，这一模型直到现在已被人们普遍接受.

尽管工业、工程及技术界一直以应用为目标对颗粒物质的生产、加工、输送等进行了长时间的研究，但物理学家对其研究兴趣的兴起还是近十多年的事。颗粒物质不但广泛存在，而且与工业技术和人们生活密切相关。全世界谷物及其他各种颗粒物的年产量数以百亿吨计。 其中包括煤、矿石、水泥建材、砂子与碎石等低附加值材料，以及高附加值的食品、工业原料、药品和化装品等。这些物质的生产、运输、加工及储存，每年约消耗地球上10% 的能量。对颗粒物质的深入认识将会对全球工业与经济的发展有极大助益。为防治泥石流、雪崩、浮冰、滑坡、沙漠化、地震等自然灾害，也必须了解颗粒物质的运动规律。公路交通流问题也与颗粒流规律密切相关。这些是颗粒物质本身的重要性。另一方面，颗粒物质具有不同于其他物质的许多奇特性质，其基本规律远没有被认识清楚。

近年来，虽然开展了关于颗粒物质的多方面的实验和模拟计算，获得了许多有意义的结果，但对其运动规律研究的认识还很肤浅，描述颗粒物质的基本理论尚未建立，有关颗粒物质的一些最基本问题还在困扰人们。

颗粒物质是一类复杂体系，研究颗粒物质，不仅有重要应用背景，对这类物质状态运动规律的深入认识也将会促进物理学的新发展。1

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学