摩擦在受限颗粒构型形成中的作用

既像固体、又像液体，还有介于两者之间的颗粒

沙漏里的沙、麦片盒中的颗粒以及月球表面的尘埃有一个共同点：它们由无数微小的固体颗粒组成，这些颗粒有时像液体一样流动，有时又会堵塞成固体块。该研究探讨了一个看似简单的细节——颗粒表面的光滑程度——如何决定拥挤颗粒群是沉降成有序晶体、无序玻璃，还是持续流动。理解这种行为不仅是有趣的物理学问题，也对化学反应器、废物处理甚至未来的外太空采矿等技术具有重要意义。

充满悬浮小珠的窄管

研究人员搭建了一个精密可控的实验：在透明的竖直管中注入水和小塑料球，向上抽水使上升的流动将颗粒托起并保持悬浮，形成工程上所说的“流化床”。由于管径仅约为颗粒直径的四到五倍，颗粒受到强烈约束，这种几何限制已知会产生诸如密集栓塞和空隙等异常结构。这样的窄管几何也与小型化反应器（用于生物质转化或碳捕集等工艺）相关，其中颗粒流动必须可靠且可预测。

光滑与粘滞的颗粒

为了分离摩擦的作用，团队比较了两种聚合物微球：更光滑、较滑的PTFE（类似特氟龙）和微粗糙、摩擦更高的ABS。他们测量了在潮湿条件下将球体拖过匹配平面时的滑动难易度，发现两种材料的摩擦系数相差约三倍。PTFE球的摩擦最低，而ABS球更难滑动。他们还用轮廓仪量化了表面粗糙度，确认PTFE整体更光滑。这些看似适度的摩擦和纹理差异，对颗粒在流动水中如何组织产生了重大影响。

从流动床到冻结壳

通过改变水速和颗粒数量，研究者绘制出床层的不同行为图。在低但足以流化的流速下，颗粒被流化并相互移动，有时形成高浓度的行进栓塞。随着流动条件变化，系统可能突然“去流化”：颗粒运动减慢并最终停止，形成静态结构，而水仍在其周围流动。根据摩擦和驱动条件，这种冻结状态要么类似晶体——沿管壁呈现高度有序的颗粒层，要么类似玻璃——颗粒被锁定但排列无规则。团队引入了名为“颗粒温度”的度量，用以跟踪颗粒随机速度涨落的强度，并据此区分流动、部分流动（亚稳）和完全堵塞的状态。

在颗粒图案中辨别有序与无序

为量化堵塞结构的有序程度，研究人员使用称为Voronoi剖分的几何工具分析颗粒位置图像。该方法将空间划分为围绕每个颗粒的单元格，便于测量相邻颗粒间的角度。对于低摩擦的PTFE球，这些角度分布紧密聚集在60度附近，这是密排晶体中六角形堆积的标志。对于摩擦较高的ABS球，角度分布出现双峰，一峰近60度，另一峰近90度，表明存在六角堆积与更接近方形的排列混合，这正是无序玻璃的典型特征。PTFE体系还显示出更长、更对齐的接触链，暗示其结构更稳健、更有序。

为何这对日常与极端环境都很重要

总体而言，该研究表明使颗粒更光滑会促使它们沉降成整齐、类似晶体的层状结构，而更粗糙、更黏着的颗粒更容易冻结成凌乱的玻璃状图样。颗粒温度下降的方式——随机运动消亡的速度——也影响最终态是有序还是无定形，这类似于冷却速率如何影响金属或玻璃的晶化与成玻璃过程。这些见解有助于连接日常颗粒流动与固态物理学，并可指导工业流化床的设计以及依赖受限空间中微小颗粒精确控制的未来工艺。

引用: 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

关键词: 颗粒材料, 流化床, 颗粒摩擦, 晶化, 堵塞