沙子颗粒的泡沫违反物理定律是什么「沙子颗粒的泡沫违反物理定律」

博科园：本文为物理学类

颗粒状物质的流动，如用于化学反应器的沙子和催化颗粒，使从泥石流到火山等一系列自然现象，以及从制药生产到碳捕获等一系列广泛的工业过程成为可能。虽然颗粒物质的运动和混合常常表现出与液体惊人的相似之处，例如在移动的沙丘、雪崩和流沙中，颗粒流动的物理基础并不像液体流动那样被很好地理解，看似违反物理定律，其实并没有，只是有更深层的奥秘。现在，哥伦比亚大学工程学化学工程助理教授克里斯•博伊斯的一项发现，解释了不同密度颗粒的引力不稳定性的一个新家族，这些颗粒是由一种在流体中看不到的气体通道机制驱动。

在苏黎世联邦理工学院能源与工程科学教授Christoph Muller团队的合作下，Boyce团队观察到了一个意想不到的Rayleigh-Taylor (R-T)不稳定性，在这种不稳定性中，较轻的颗粒通过较重的颗粒以“手指”和“颗粒气泡”的形式上升。R-T不稳定性是由两种不同密度的流体相互作用而产生，这两种流体不能混合，例如油和水，因为较轻流体会把较重的流体推开，在两种干燥的颗粒材料之间没有发现这种不稳定性。2019年4月22日发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究首次证明：

较轻的沙(蓝色)在较重的沙(白色)中形成“气泡”的发展，图片：Alex Penn/ETH Zurich

当两种类型的沙子受到垂直振动和向上气流的影响时，较轻沙子会形成“气泡”，并在较重的沙子中上升，类似于熔岩灯中形成和上升的气泡。研究小组发现，就像空气和石油泡沫在水中上升一样，因为它们比水轻，不想与水混合，即使两种类型的沙子喜欢混合，轻沙泡沫也会在较重的沙子中上升。博伊斯说：我们认为发现是革命性的，发现了一种颗粒状的模拟物，类似于最后一种主要的流体力学不稳定性。虽然近几十年来在粒状流中发现了其他主要不稳定性的类似物，但R-T不稳定性一直没有得到直接的比较。发

现不仅可以解释矿床下的地质构造和过程，还可以用于能源、建筑和制药行业的粉末加工技术。研究小组利用实验和计算模型表明，气体通过较轻的粒子通道会触发手指和气泡图案的形成。气体窜流的发生是因为较轻、较大颗粒团簇比较重、较小的颗粒团簇对气体流动具有更高的渗透性。颗粒状材料中的r - t类不稳定性是由气窜局部增大向上阻力和向下接触力之间的竞争引起，这是一种与液体中发现的完全不同物理机制。发现这种气体通道机制还会产生其他引力不稳定性，包括下降粒状液滴的级联分支。

还证明了r - t类失稳可以在多种气体流动和振动条件下发生，在不同的激励条件下形成不同的结构。这些不稳定性可以应用于各种系统，为颗粒动力学提供了新的解释，并为在颗粒混合物中形成新产品提供了新机会。发现对地质科学的潜在影响尤其兴奋——这些不稳定性可以帮助我们了解地球历史上的结构是如何形成，并预测未来其他结构可能如何形成。博伊斯现在正在研究砂粒中其他类似液体和结构的现象，并对它们的行为进行量化。他还与地质学家和火山学家进行了交谈，以进一步探讨这一过程以及类似过程是如何在自然界中发生的。

博科园-科学科普｜研究/来自: 布朗大学

参考期刊文献:《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.157002

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