Роль трения в формировании ограниченных гранулярных структур

Зерна, которые ведут себя то как твердые тела, то как жидкости, то как нечто среднее

Песок в песочных часах, зерна в коробке хлопьев и лунная пыль имеют общее: они состоят из крошечных твердых частиц, которые иногда текут как жидкость, а иногда слипаются в твердую массу. В этом исследовании рассматривается, как простой параметр — скользкость поверхности частиц — может определить, упорядочится ли густая масса зерен в кристалл, застынет в беспорядочное «стекло» или продолжит течь. Понимание этого поведения — не только интересная физика; это важно для технологий вроде химических реакторов, очистки отходов и даже будущей добычи полезных ископаемых вне Земли.

Узкая трубка, полная плавающих шариков

Исследователи создали тщательно контролируемый эксперимент: прозрачную вертикальную трубку, заполненную водой и маленькими пластиковыми шариками. Вода нагнеталась вверх так, что восходящий поток поднимал и удерживал частицы в подвешенном состоянии, формируя то, что инженеры называют «флюидизованным слоем». Поскольку трубка была всего в четыре–пять диаметров зерна в ширину, частицы испытывали сильную конфайнментность — ситуацию, известную образованием необычных структур, таких как пробки (плотные сгустки) и пустые области. Такая узкая геометрия также важна для миниатюризированных реакторов, используемых в процессах типа конверсии биомассы или улавливания углерода, где поток частиц должен быть надежным и предсказуемым.

Скользкие против липких зерен

Чтобы выделить роль трения, команда сравнила два типа полимерных шариков: более гладкие, скользкие PTFE (аналог тефлона) и слегка более шершавые, с большим трением ABS. Они измеряли, как легко каждый материал скользит, когда мокрый шарик тащили по соответствующей пластине, и обнаружили, что значения трения отличаются примерно в три раза. Шарики из PTFE имели наименьшее трение, тогда как ABS сильнее сопротивлялся скольжению. Поверхностную шершавость также оценивали профилометром, подтвердив, что PTFE в целом гладче. Эти на первый взгляд скромные различия в трении и текстуре оказали существенное влияние на то, как частицы организовались внутри движущейся воды.

От текущего слоя до замерзшей оболочки

Меняя скорость воды и количество частиц, исследователи составили карту различных состояний слоя. При достаточно низких, но достаточных скоростях потока зерна флюидизовались и перемещались, иногда образуя движущиеся пробки с высокой концентрацией. По мере изменения условий потока система могла внезапно «дефлюидизоваться»: движения зерен замедлялись и в конце концов прекращались, формируя статическую структуру при продолжающемся прохождении воды вокруг неё. В зависимости от трения и условий привода это замороженное состояние напоминало либо кристалл — сильно упорядоченные слои частиц вдоль стенки трубки, либо стекло, где частицы зафиксированы, но расположены беспорядочно. Команда ввела величину «гранулярная температура», отражающую силу случайных флуктуаций скоростей частиц, и использовала её, чтобы различать текучие, частично текучие (метастабильные) и полностью зажатые состояния.

Наблюдая порядок и беспорядок в рисунках зерен

Чтобы количественно оценить упорядоченность зажатых структур, исследователи проанализировали изображения положений частиц с помощью геометрического инструмента — фигура Вороного (тесселяция Вороного). По сути, это делит пространство на ячейки вокруг каждой частиц и позволяет измерять углы между соседними частицами. Для низкотёртых шариков PTFE распределение этих углов было тесно сосредоточено вокруг 60 градусов — признак шестиугольной упаковки, характерной для плотных кристаллических структур. Для более фрикционных шариков ABS распределение углов распалось на два пика: один около 60 градусов и другой около 90 градусов, указывая на смесь шестиугольных и более квадратоподобных структур, типичных для беспорядочного стекла. Системы с PTFE также демонстрировали более длинные, выровненные цепочки контактирующих зерен, что свидетельствует о более прочной, упорядоченной структуре.

Почему это важно в повседневных и экстремальных условиях

В целом исследование показывает: повышение скользкости частиц способствует их упорядочиванию в аккуратные, кристаллоподобные слои, тогда как более шершавые, «липкие» частицы с большей вероятностью замерзнут в беспорядочные стекловидные структуры. То, как падает гранулярная температура — насколько быстро затухают случайные движения, — также влияет на то, будет ли финальное состояние упорядоченным или аморфным, напоминая, как скорость охлаждения влияет на образование кристаллов и стекол в металлах или оконном стекле. Эти наблюдения помогают связать наши представления о бытовых гранулярных потоках с традиционной физикой твердых тел и могут помочь в проектировании промышленных флюидизованных слоев и будущих процессов, требующих точного управления малыми частицами в ограниченных пространствах.

Цитирование: Oliveira, V.P.S., Borges, D.S., Franklin, E.M. et al. Role of friction on the formation of confined granular structures. Sci Rep 16, 7507 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39896-4

Ключевые слова: гранулярные материалы, флюидизованные слои, трение частиц, кристаллизация, зажимание (jamming)