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Tunable mechanical properties and air-based lubrication in an acoustically levitated granular material

本文研究了声悬浮颗粒筏的可调控力学性质和基于空气的润滑效应，展示了如何通过调节声压来控制内聚力，以及颗粒间的间隙空气层如何能有效降低内聚混合物的摩擦力。

原作者： Nina M. Brown, Bryan VanSaders, Jason M. Kronenfeld, Joseph M. DeSimone, Heinrich M. Jaeger

发布于 2026-07-14

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原作者： Nina M. Brown, Bryan VanSaders, Jason M. Kronenfeld, Joseph M. DeSimone, Heinrich M. Jaeger

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

想象一个你可以用微小的沙粒建造浮岛的世界，但不同于用水来固定它们，你使用的是无形的声波。这正是这群科学家所做的事情。他们创造了一个由松散颗粒组成的特殊“筏子”，它在半空中漂浮，其固定的力量并非来自胶水或磁铁，而是来自超声波的推力和拉力。

无形的胶水与可调控的刚度
把声波想象成一个无形的、富有弹性的蹦床。当科学家在扬声器和反射镜之间发射 40 kHz 的超声波（这种声音频率极高，狗会非常喜欢，但人类听不到）时，会产生一种驻波。颗粒被困在这一波形的低压口袋中。

这里有一个魔术技巧：声波不仅能托起颗粒，它们还像一块温柔的、无形的磁铁，将颗粒向彼此拉拢，从而形成一个扁平的、漂浮的薄片。最酷的部分在于：你只需通过调节音量旋钮，就能改变这种“无形胶水”的“粘性”。

调大音量： 颗粒会抱得更紧，使筏子变得更硬、更难弯曲。
调小音量： 颗粒会放松，筏子也会变得更软、更容易被挤压。

研究人员通过使用定制的小型探针（类似于微型镊子）来测量这一点。他们发现，通过将声压在 940 Pa 到 1300 Pa 之间进行调节，他们可以将筏子的刚度（剪切模量）改变约 2 倍。这就像拥有一块可以根据周围播放的音乐，瞬间从柔软的橡皮泥变成坚硬的模型黏土的黏土。

“沙子”与“滚珠”
接下来，他们测试了两种不同类型的浮岛。

光滑球体： 他们使用了微小的圆形塑料球（尺寸为 180–200 µm）。这些球体排列得非常整齐，就像板条箱里的橙子一样。当他们推动它们时，筏子表现得像一个固体晶体，在轻微晃动后便会卡入到位。
粗糙沙粒： 他们尝试使用真正的水族箱沙粒，这些颗粒形状不规则、粗糙且参差不齐（尺寸为 300 ± 100 µm）。这些颗粒的排列并不那么整齐。由此产生的筏子比光滑球体要硬大约 25%，这仅仅是因为粗糙的形状相互锁合得更好，且声波对较大的颗粒拉力更强。

秘密润滑剂：“空气垫”效应
现在是最有趣的部分。科学家们加入了一种秘密成分：微小的 40 µm 塑料球（大约是一粒细沙的大小）。

通常情况下，当你把大石头和细小碎石混合在一起时，细小的颗粒会填补缝隙，使堆积更加紧密。但在这种漂浮的世界里，这些微小的颗粒充当了神奇的滚珠。因为它们非常小，周围的空气表现得与众不同。声波在每个微小球体周围创造了一个微小的、无形的“空气垫”（一个厚度约为 11 µm 的粘性边界层）。

这个空气垫让这些微小球体永远不会真正接触到大的沙粒或其他球体。它们仅以极微小的间距悬浮着。

结果： 当科学家将这些微小的悬浮球体加入粗糙的沙筏中时，整个结构变得更软了。
数据： 尽管他们增加了物质总量（增加了填充率），但筏子的刚度却下降了超过 30%。
类比： 想象一下尝试让两块粗糙的砂纸相互滑动。这会感觉很硬且有摩擦感。现在，想象在它们之间撒上一层微小的、悬浮着的弹珠。砂纸永远不会接触，弹珠只是滚动和悬浮，使整体滑动得非常容易。这就是微小球体所做的：它们充当了“润滑剂”，防止了粗糙颗粒之间的相互磨损。

他们并未发现的事实（以及为什么这很重要）
论文非常明确地说明了什么情况没有发生。他们观察了筏子的尺寸是否会有影响——拥有 200 个颗粒的筏子与拥有 8 个颗粒的筏子表现是否不同？他们并没有发现明显的规律。这与微小的金属晶体不同，后者会随着尺寸变小而变得更强。科学家们认为，他们的筏子已经非常小了，处于一种“匮乏”状态，以至于尺寸的变化不会改变规则，但他们承认需要更大的筏子（包含数千个颗粒）才能确定这一点。

此外，他们也没有发现这些微小球体本身具有很强的强度。仅由这些 40 µm 微小球体组成的筏子是非常柔软的，其刚度仅为 1.0 ± 0.3 Pa。它们本身几乎是没用的；它们的超能力只有在与较大的、粗糙的颗粒混合时才会显现。

总结
这篇论文表明，你可以建造一种可以二维材料，通过改变声波的音量来调节其“胶水”的强度。更令人惊讶的是，在粗糙且具有粘性的颗粒混合物中加入微小的、无摩擦的颗粒并不会使其更紧密，反而会让它滑动得更顺畅。这有点像是发现，在碎石堆中加入一层无形的、悬浮的空气泡，会让整堆碎石像液体一样流动，即便你增加的是固体物质。这是一种在半空中玩转沙子物理特性的新方式。

技术摘要：声悬浮颗粒材料的可调机械性能与空气基润滑

问题陈述
具有凝聚力的颗粒材料在自然界和工业环境中普遍存在，然而研究其固有机械性能的实验平台往往受到限制，因为难以在原位（in situ）调节凝聚强度。传统方法（如改变聚合物涂层厚度或使用磁场）要么需要准备不同的颗粒批次，要么依赖于特定的材料属性（如磁化率）。因此，需要一种模型系统，能够在不改变颗粒组成或样品制备的情况下，连续调节颗粒间的吸引力。

方法论
作者利用一个工作频率为 40.45 kHz 的单轴声悬浮系统在空气中产生驻波。该装置将固体颗粒捕捉在压力节平面内，形成自由漂浮的准二维颗粒筏（granular rafts）。

力学机制： 该系统依赖于初级声辐射力进行悬浮，以及次级散射力产生颗粒间吸引力。至关重要的是，对于尺寸小于粘性边界层厚度（ $\delta_\nu \approx 11$ µm）的颗粒，排斥性的声微流（acoustic microstreaming）力会阻止直接接触，从而创造出实际上无摩擦的相互作用。
实验装置： 使用定制的 3D 打印（CLIP 技术）探针头，将其连接到柔性悬臂梁上，插入声腔内以施加剪切应力并测量微牛顿（ $\mu$ N）量级的力。
材料： 实验针对三种类型的系统进行了研究：
1. 单分散高密度聚乙烯（HDPE）球体（180–200 µm）。
2. 各向异性的二氧化硅砂粒（300 ± 100 µm）。
3. 含有较小 40 µm HDPE 球体（作为润滑剂）的砂粒混合物。
测试方案： 通过以恒定速率移动其中一个探针头，同时由另一个探针头测量反作用力来进行机械剪切测试。声压（ $p_{ac}$ ）通过 PID 反馈控制，以调节颗粒间的吸引强度。

主要贡献与结果

球形颗粒筏的可调凝聚性：
- 对 180–200 µm 球体组成的颗粒筏进行剪切测试，揭示了应力积累后紧接着发生滑动事件（塑性变形）的重复循环，这是颗粒材料的典型特征。
- 平均屈服应变发现为 $\gamma \approx 0.129$ ，平均屈服应力为 $\sigma \approx 9.3$ Pa，有效剪切模量为 $G \approx 107$ Pa。
- 可调性： 通过将声压从 940 Pa 变化到 1300 Pa，作者证明了平均屈服应力和有效剪切模量可以增加约两倍。相反，屈服应变略有下降。这证实了可以通过仅仅调节声场强度来控制颗粒筏的机械刚度，而无需改变颗粒本身，实现了原位控制。
各向异性颗粒与增强的刚度：
- 由不规则、各向异性砂粒组成的颗粒筏表现出比相同压力下的球形颗粒筏更高的有效剪切模量（ $G \approx 180$ Pa）。这种增加归因于较大的粒径、增强的颗粒间吸引力以及形状各向异性，这些因素共同提供了更大的抗剪切能力。
基于空气的颗粒润滑：
- 研究在砂粒筏中引入了 40 µm 的 HDPE 球体。由于这些“细颗粒”的尺寸与粘性边界层相当，它们会经历排斥性的微流力，从而使它们与较大的砂粒及彼此之间保持分离，中间隔着一层薄薄的空气。
- 软化效应： 向砂粒筏中加入少量（ $\chi_s < 0.02$ ）这种实际上无摩擦的细颗粒，使剪切模量降低了 30% 以上（从 ~180 Pa 降至 ~120 Pa）。
- 机制： 这些小颗粒充当了柔软、可压缩的“滚珠轴承”，防止了具有凝聚力的砂粒之间发生直接的摩擦接触。细颗粒本身的剪切模量微乎其微（ $G \approx 1.0$ Pa），这证实了软化现象源于对较大颗粒接触的润滑，而非细颗粒自身的固有刚度。
- 浓度依赖性： 随着细颗粒浓度（ $\chi_s$ ）的增加，剪切模量显著下降。然而，在极高浓度下，由于细颗粒之间的排斥力需要额外的自由空间，导致固体面积分率下降，从而呈现出非单调的堆积密度与刚度关系。

意义与主张
本文声称，声悬浮为研究颗粒物理学提供了一个独特的平台，其优势在于：

原位可调性： 能够为同一样品连续改变凝聚强度，从而隔离出相互作用强度对机械性能的影响。
无容器环境： 消除了壁面效应，允许在受控的准二维几何结构中观察固有的变形和滑动事件。
多相机制： 该系统能够研究颗粒通过凝聚接触（大颗粒）和颗粒润滑（小细颗粒）进行相互作用的颗粒材料。
凝聚系统中的润滑： 结果表明，添加柔软、无摩擦的颗粒可以显著降低刚度，并可能降低凝聚性颗粒混合物（如湿润土壤或工业粉末）的堵塞倾向，即使这些混合物中的大颗粒具有高度的各向异性和吸引力。这表明了一种增强通常容易发生阻塞（jamming）的系统流动性的机制。

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