Pressure sensitivity in non-local flow behaviour of dense hydrogel particle suspensions
本研究表明，压力敏感性是非局部流体规则在致密水凝胶颗粒悬浮液中的一个关键组成部分，因为实验和模拟表明，剪切带宽度会根据约束应力的不同而在宽到窄之间剧烈变化，而这一行为已被压力敏感型非局部颗粒流变模型成功捕捉。
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想象一个沙子、糖甚至微小珠子在某一时刻表现得像固体块，而在下一时刻又表现得像流体液体的世界。这就是颗粒材料的领域，这是一个研究微小固体颗粒如何移动和相互作用的物理学领域。这些材料无处不在，从沙漠沙丘中的沙子到机器中的咖啡粒，理解它们的流动对于从建筑到食品生产的各个行业都至关重要。几十年来，科学家们已经知道，当我们推动或拉动这些材料时，它们并不总是均匀运动。相反，它们往往会将运动集中在被称为剪切带（shear bands）的狭窄、扭曲的通道中，而其余部分则保持静止。准确预测这些带是如何形成以及它们有多宽一直是一个难题，尤其是因为这种行为似乎取决于压在颗粒上的压力大小。虽然一些理论认为这些运动通道的宽度是材料本身的固定属性，但另一些理论则认为局部压力的变化改变了一切，就像一个可以使流动变宽或变窄的旋钮。
为了解决这场争论，研究小组转向了一个独特且精细的系统：一种由柔软的水凝胶球悬浮组成的混合物。与以往研究中常用的坚硬、刚性的玻璃珠不同，这些水凝胶颗粒是柔软且几乎无摩擦的，它们漂浮在水中，其密度与周围液体几乎完全匹配。这种设置让科学家能够创造出一种内部压力极低的场景，有效地消除了颗粒自身的重量作为驱动力。他们将这些柔软的球体放入一个被称为分底剪切池（split-bottom shear cell）的特殊容器中，该设备通过旋转底部的圆盘来搅拌混合物。通过使用一种名为磁共振成像（MRI）的强大医学成像技术，他们可以窥视容器内部，并在不干扰颗粒的情况下观察其三维运动。随后，他们将这些现实世界的观察结果与计算机模拟以及旨在预测颗粒材料流动的数学模型进行了对比。
结果揭示了对压力的显著敏感性。当研究人员让这些柔软的水凝胶球在没有任何额外重量压迫的情况下流动时，剪切带变得极其宽阔。运动不再是一个狭窄的通道，而是整个材料的上层似乎都参与了流动，广泛地扩散在容器中。这是因为低内部压力使得材料的“流动性”得以传播得更远、更广。然而，当团队施加一个轻微的外部挤压，即用相当于仅几百帕斯卡的力向下压在混合物顶部时，行为发生了戏剧性的变化。宽阔、弥散的流动坍缩成了一个更窄、更明确的带状区域，类似于在坚硬、干燥的沙子上看到的现象。这证实了作用在颗粒上的压力是决定它们如何流动的关键因素，验证了一类此前主要在硬质、干燥颗粒上进行测试的理论。
研究人员还探索了流速如何影响材料。在他们利用成像技术观察到的缓慢、稳定的运动中，流动表现出一种可预测的、稳定的方式，并不太依赖于转动圆盘的速度。然而，当他们推动系统移动得更快或施加更高水平的压缩时，行为发生了转变。在高压下，材料开始表现出一种不同的阻力，这种阻力并不符合慢速运动颗粒流的标准规则。团队怀疑这种变化是由于水凝胶颗粒本身缓慢的弹性性质造成的，这些颗粒在被挤压后需要时间来放松和重塑，从而增加了一层简单刚性颗粒模型无法捕捉的复杂性。
最终，这项工作表明，软颗粒如何流动的规则与其感受到的压力密切相关。研究证实，考虑了这种压力敏感性的数学模型可以成功预测这些软材料的流动，填补了干燥沙子物理学与湿润、柔软凝胶物理学之间的鸿沟。通过展示压力如何作为控制流向宽度的控制旋钮，这项研究为如何模拟自然界和工业中复杂的混合物提供了更清晰的图景。它表明，要真正理解颗粒材料如何运动，必须始终考虑塑造每一个颗粒路径的那只“无形之手”——压力。
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