粒状材料是由单独的碎片组成的，无论是沙粒、咖啡豆还是卵石，是地球上最丰富的固体物质形式。这些材料移动和对外力反应的方式可以决定山体滑坡或地震何时发生，以及更常见的事件，例如谷物从盒子里出来时如何被堵塞。然而，分析这些流动事件发生的方式以及决定其结果的因素一直是一个真正的挑战，而且大多数研究仅限于二维实验，无法揭示这些材料行为的全貌。

现在，麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，可以进行详细的 3D 实验，可以准确揭示力如何通过颗粒材料传递，以及颗粒的形状如何显着改变结果。这项新工作可能会带来更好的方法来理解山体滑坡是如何引发的，以及如何控制工业过程中颗粒材料的流动。 麻省理工学院土木与环境工程教授 Ruben Juanes 和 Wei Li SM '14、PhD '19(现为纽约州立大学石溪分校教授)在《PNAS》杂志上发表的一篇论文中描述了这些发现 。

从土壤和沙子到面粉和糖，颗粒材料无处不在。 “它是日常用品，是我们基础设施的一部分，”李说。 “当我们进行太​​空探索时，我们的航天器会降落在颗粒材料上。颗粒介质的失效可能是灾难性的，例如山体滑坡。”

“这项研究的一个主要发现是，我们提供了为什么一组有角粒子比一组球体更强的微观解释，”李说。

Juanes 补充道：“从根本上理解材料的整体反应始终很重要。我认为，展望未来，这可以提供一种新的方法来预测材料何时失效。”

胡安斯解释说，对这些材料的科学认识真正开始于几十年前，当时发明了一种方法，使用二维圆盘来模拟它们的行为，二维圆盘代表力如何通过粒子集合传递。虽然这提供了重要的新见解，但它也面临着严重的局限性。

在之前的工作中，李开发了一种通过挤压成型技术制造三维颗粒的方法，该技术生产的塑料颗粒没有残余应力，并且几乎可以制成任何不规则形状。现在，在这项最新研究中，他和胡安斯应用这种方法来揭示颗粒材料在施加载荷时的内应力，在一个完全三维的系统中，该系统可以更准确地代表现实世界的颗粒材料。

胡安斯解释说，这些颗粒具有光弹性，这意味着当受到压力时，它们会根据压力的大小改变穿过它们的光线。 “因此，如果你用偏振光照射它并对材料施加压力，你可以在视觉上看到压力变化发生的地方，以材料中不同颜色和不同亮度的形式出现。”

胡安斯说，这种材料已经使用了很长时间，但“从未完成的关键事情之一是能够对这些材料浸入流体中时的应力进行成像，其中流体可以流过材料本身。”

他强调，能够做到这一点很重要，因为“感兴趣的多孔介质——生物多孔介质、工业多孔介质和地质多孔介质——它们的孔隙空间中通常含有流体，并且该流体将通过这些孔隙进行水力输送。开口。这两种现象是耦合的：应力如何传递以及孔隙流体压力是多少。”

问题是，当使用一组二维圆盘进行实验时，圆盘会以完全阻挡流体的方式堆积。只有具有三维颗粒质量，流体才会始终有流过的通道，从而可以在流体移动时监测应力。

使用这种方法，他们能够证明“当你压缩颗粒材料时，该力以我们所说的链或细丝的形式传递，这种新技术能够在三个维度上可视化和描述”胡安内斯说。

为了获得 3D 视图，他们结合使用光弹性来照亮力链，以及一种称为计算机断层扫描的方法(类似于医学 CT 扫描中使用的方法)，从拍摄的一系列 2,400 张平面图像中重建完整的 3D 图像当物体旋转 360 度时。

由于颗粒浸没在与聚氨酯颗粒本身折射率完全相同的液体中，因此，如果珠子没有受到压力，当光线穿过其容器时，珠子是不可见的。然后，施加压力，当偏振光照射进来时，压力就会以光和颜色的形式显现出来，胡安斯说。 “真正值得注意和令人兴奋的是我们没有对多孔介质进行成像。我们正在对通过多孔介质传递的力进行成像。我认为，这开辟了一种研究颗粒材料应力变化的新方法。”他补充道，“这确实是我多年来的一个梦想”，他说，由于李在该项目上的工作，这个梦想得以实现。

使用该方法，他们能够准确地证明不规则的有角颗粒如何产生比球形颗粒更坚固、更稳定的材料。虽然这是凭经验得知的，但新技术可以根据力的分布方式准确地证明其原因，并且可以在未来的工作中研究各种谷物类型，以确定到底有哪些特征。对于生产稳定的结构最为重要，例如铁路路基的道碴或防波堤上的抛石。

由于无法观察此类材料中的 3D 力链，胡安斯表示，“目前很难准确预测何时会发生山体滑坡，因为我们不知道力的结构不同材料的链条。”

李说，开发能够做出此类预测的方法需要时间，但这最终可能是这项新技术的重大贡献。该方法的许多其他应用也是可能的，即使是在看似无关的领域，例如携带鱼卵在水中移动的鱼如何做出反应，或者帮助设计可以轻松适应拾取物体的新型机器人抓手任何形状。