你早上吃的麦片、一罐坚果、遥远星球的沙子，甚至你城市的混凝土都是我们周围颗粒系统的例子。这些系统隐藏着可能改变我们混合事物的方式的秘密。
在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上发表的一篇新论文中，罗切斯特大学的科学家们，包括地球与环境科学以及机械工程助理教授雷切尔·格莱德(RachelGlade);FernandoDavidCúñez，格莱德实验室前博士后研究员，现任罗彻斯特理工学院博士后研究员;和DivPatel'24研究了颗粒材料，并揭示了颗粒形状在颗粒系统行为中发挥的意想不到的作用。
“颗粒材料具有奇特的行为，”库涅斯说，“但我们对它们的具体行为了解不多，因为它们的行为取决于许多不同的环境。”
巴西坚果效应
谷物、药品、沙子和混凝土等颗粒状材料的组织方式通常是颗粒根据尺寸分离，而不是均匀混合。例如，在一罐坚果中，最大的坚果通常位于顶部，这种现象被称为“巴西坚果效应”。巴西坚果效应可能会给食品和医药等许多行业带来麻烦，因为它会妨碍均匀混合。它还对自然界产生影响，谷物分离可以改变山体滑坡、侵蚀和泥石流等地质灾害的动态。
尽管这种现象众所周知，但人们尚未完全理解它。研究人员传统上还关注颗粒的大小，之前的大多数研究都假设颗粒是球形的——这种均匀性很少反映现实。
变形动力学
Glade和她的团队使用先进的计算机模拟，在旋转滚筒和类似河流的装置中比较球体混合物与球体和立方体的混合物，以研究颗粒形状分别如何影响干燥和潮湿条件下的分离。他们的研究表明，即使颗粒形状的微小差异也会显着改变颗粒偏析的动态。
具体来说，研究人员在干燥系统混合物中发现了以下模式：
在不同尺寸球体的混合物中：当大体积球体和小体积球体之间的比率更大时，偏析增加，更多的较大球体上升到顶部。
在相同尺寸的球体加上较大立方体的混合物中：偏析往往与仅球体的情况相同，较大的球体上升到顶部。
在相同尺寸的球体加上较小立方体的混合物中：偏析趋于减少，大多数较大的球体上升到顶部，但程度小于仅球体的混合物。
有趣的是，在流体系统中，趋势转向相反：
在相同大小的球体加上较小的立方体的混合物中：较小的立方体移动到顶部。
格莱德说：“一种思考方式是，颗粒形状在数量上改变了偏析——在干燥的滚筒情况下，立方体减少了偏析量;在质量上——在潮湿的河流情况下，立方体改变了偏析模式。”
重塑产业与自然
未来的研究将探讨为什么会发生这些隔离变化。研究人员推测，这可能是由于多种因素造成的，包括施加在不同粒子上的力，使它们粘在一起并以不同的方式抵抗运动。
无论如何，该研究表明晶粒形状在各个领域都有多么重要。
格莱德强调了更广泛的影响，“我们的工作展示了跨学科研究的重要性，从物理学、工程学和地球科学中汲取灵感。这项合作为未来的工作铺平了道路，以更好地了解和预测地质灾害，缓解工业流程中的隔离问题，并增强我们对地球和其他行星上颗粒材料的了解。”
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