Criticality of the viscous to inertial transition near jamming in non-Brownian suspensions
通过离散元法模拟，本研究表明，在接近阻塞状态的致密无摩擦非布朗悬浮液中，从粘性到惯性的剪切增稠转变受控于一个发散的微观结构特征长度，该长度导致特征转变剪切速率在体积分数趋向阻塞极限时趋于零。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一个世界，那里物体流动的规则会随着你推动它们的速度而改变。这是流体力学中一个迷人的领域，特别是专注于“悬浮液”的研究——即固体微粒漂浮在液体中的混合物，比如水中的沙子或牛奶中的巧克力碎。通常，我们认为流体要么是稀薄的（如水），要么是粘稠的（如蜂蜜），但这些含有颗粒的混合物却非常棘手。有时，如果你缓慢搅拌它们，它们表现得像普通的液体；但如果你快速搅拌，它们会突然变得僵硬，几乎像固体一样。这种现象被称为“剪切增稠”。科学家们痴迷于理解这种转变究竟在何时以及为何发生，因为这影响着从水泥和陶瓷的加工处理，到预测泥石流和雪崩等危险自然事件的所有环节。一个巨大的谜团在于：是否存在一个精确的“速度极限”，即流体决定停止流动并开始变硬的临界点？这是一个固定的数值，还是会根据颗粒的拥挤程度而变化？
在这项研究中，康奈尔大学的研究人员尼尚特·穆鲁根（Nishanth Murugan）、唐纳德·科赫（Donald Koch）和莎拉·霍默齐（Sarah Hormozi）利用强大的计算机模拟解决了这个难题的一部分。他们专注于一种特定类型的混合物：由不粘连（无摩擦）且体积大到不会被热运动扰动（非布朗运动）的颗粒组成的致密悬浮液。可以把这想象成一个拥挤的舞池，舞者们穿着光滑的西装，彼此之间不会发生碰撞。研究团队想要找到舞池从平滑滑行转向混乱拥挤的精确时刻。
他们的模拟结果显示，这里并不存在一个单一、通用的速度极限。相反，“速度极限”完全取决于舞池的拥挤程度。随着颗粒越来越接近完全卡死且无法移动的状态（一种被称为“阻塞”的状态），触发硬化行为所需的速率会降至趋近于零。换句话说，系统变得越拥挤，将其变成固体的难度就越小。
作者发现，这是由于混合物内部产生了一个隐藏的、不断增长的结构所导致的。随着颗粒聚集在一起，它们开始形成巨大的、临时性的集群，这些集群就像一个单一的、庞大的整体在行动。随着系统接近阻塞点，这些集群的尺寸也会变得越来越大。研究人员发现，从“稀薄”到“僵硬”的转变实际上是由这些巨大集群的惯性（动量）触发的，而不仅仅是单个颗粒。他们通过证明集群的大小与流体变硬的速度遵循相同的数学模式，从而证明了这一点。
有趣的是，论文反对了这样一种观点，即这种转变是由单个颗粒的大小或固定力量控制的。在颗粒具有摩擦力（如粗糙的沙子）的系统中，转变发生在不同的、恒定的速度下。但在这些光滑、湿滑的颗粒系统中，这种转变是“临界”的，这意味着它与系统的拥挤程度深度绑定。研究表明，当你接近阻塞点时，一个“长度尺度”（衡量这些集群变得多大的度量）会趋向于无限大，使得系统对哪怕最微小的推动都变得极其敏感。
研究人员使用了称为“离散元法”（DEM）的方法，这就像是一款超级精确的视频游戏，他们计算了数百万个颗粒之间的力。他们在二维和三维版本的拥挤系统中都进行了模拟。结果显示，当体积分数趋向于阻塞极限时，斯特克斯数（Stokes number，一种衡量流体粘性与颗粒动量平衡的专业术语）降至零。他们发现，集群的大小遵循特定的幂律增长，在二维中指数约为 0.79，在三维中约为 0.84。
通过测试当模拟框变小或变大时结果的变化，他们确认了这些巨大的集群确实存在，并且是转变的关键。如果模拟框比集群还要小，结果就会发生变化，这证明了集群正试图“穿透”墙壁。这证实了该转变是一个非局部的事件，意味着流体某一部分发生的情况取决于远离该处的其他部分，并通过这些庞大的、无形的结构相互连接。
简而言之，这篇论文表明，对于光滑且拥挤的颗粒，从液体到固体的切换并非关乎个体舞者，而是关于一个巨大的、无形的群体如何形成，并最终扩张直到接管整个房间。这一见解帮助科学家理解，在接近阻塞点时，流动的规则变得具有临界性，并依赖于这些不断增长的结构，为理解这些复杂材料的行为铺平了理论道路。
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