History-dependent discharge of compressed particle rafts
本研究表明，单轴压缩的颗粒筏经历了一个可重复的老化过程，该过程以颗粒迁移率和变形能力的提高为特征，其驱动力源于通过缩窄处的受限通过，并与不断演变的微观接触线相关联。
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
想象一个水不仅能托起物体，还能像蹦床一样承载微小物体世界。这就是“颗粒填充界面”（particle-laden interfaces）的领域，这是一个听起来很高级的术语，指的是漂浮在液体表面的微小珠子层。把它想象成一个拥挤的舞池，每个人都和邻居手拉着手。在这场舞蹈中，这些珠子有两种人格：它们既表现得像一层可以拉伸和弯曲的固体薄片（弹性），又表现得像一堆沙子，会发生拥塞和卡顿（颗粒行为）。科学家们之所以关注这一点，是因为这些漂浮层在自然界和工业中无处不在，从海洋上的油污到你早晨咖啡上的泡沫都是如此。最大的谜团在于，这些漂浮层似乎拥有“记忆”。如果你挤压它们然后放开，它们并不总是能恢复到完全相同的形状；它们的行为会根据之前发生过的事情而改变。就好像舞池记得上次有人绊倒的情况，并据此改变下次大家跳舞的方式。
你即将阅读的这篇论文通过将一层漂浮的颗粒比作试图穿过狭窄门口的拥挤走廊，深入探讨了这个谜团。研究人员马里奥·纳贝尔尼克（Mario Nabørnik）及其团队想要知道：如果你一次又一次地推动这群漂浮的人群通过一个小开口，这群人会发生变化吗？他们会变得更“年长”或更有经验吗？他们设计了一个实验，在水面上压缩了一层疏水玻璃珠（它们排斥水），然后打开一个闸门，让它们挤过一个 10 毫米宽的间隙。他们连续进行了大约 20 次这样的循环，密切观察这个颗粒筏（raft）的行为是否发生了演变。
他们的发现是，这个颗粒筏确实在“变老”。这不是一种突然的变化，而是一个缓慢、持续的过程。起初，当闸门打开时，颗粒物表现得像一个僵硬的固体块，发生拥塞，只有极少数能够逃脱。但随着他们重复这种“挤压-释放”循环，颗粒筏变得更加灵活且具有协作性。颗粒开始移动得更快，更像液体一样流动，而且“拥塞”也更容易被打破。到了第 20 次运行，颗粒们正飞快地穿过间隙，整个颗粒筏看起来比开始时放松得多。这就像是颗粒们学会了如何更好地共同起舞，摆脱了僵硬、拥塞的习惯，变成了一个流畅、具有协作性的团队。
团队非常小心地排除了一些显而易见的原因。他们检查了是否因为每次都增加了更多珠子或者挤压得更用力，但数据表明数量保持不变。他们还尝试在不让颗粒通过闸门逃逸的情况下挤压颗粒筏 20 次，在这种情况下，没有任何变化发生。这证明了这种“老化”并非仅仅因为被挤压，而是专门源于颗粒必须反复挤过那个狭窄的门口。正是通过这种受限空间的流动过程，重塑了颗粒筏。
当他们近距离观察流动时，看到了颗粒筏性格的转变。在开始阶段，颗粒物的运动方式呈现出“塞状”（plug-like），就像一个坚硬的软木塞被推过瓶口。随后，流动变得呈现“抛物线状”（parabolic），这意味着中间的颗粒移动得比靠近边缘的颗粒快得多，就像蜂蜜流过管子一样。那些“剪切带”（shear zones）——即颗粒相互摩擦的区域——变得更宽、更分散。颗粒不再产生几个巨大的、脆性的裂纹，而是分解成许多细小的、可控的重组。甚至在被压缩的颗粒筏上形成的褶皱也变得更加有序和连贯，这表明内部应力得到了更均匀的分配。
那么，究竟是什么引起的呢？论文提出了一个微观层面的罪魁祸节：“接触线”（contact lines）。由于这些珠子是漂浮着的，水会在它们周围弯曲，形成一个连接它们与邻居的微小弯月面（meniscus，就像一个小水丘）。作者怀疑，每当珠子在狭窄的门口滚动和滑动时，这些水的连接就会被微调。也许水线会被钉住或解开，从而改变了珠子彼此之间的粘附性或润滑程度。经过 20 次运行，这些围绕在每个珠子周围的微小、不可见的调整不断累积，将一个僵硬、受挫的群体转变为一个流畅、协作的团队。虽然他们目前还无法直接观察到这些水线，但他们的实验数据强烈暗示，颗粒筏的历史被记录在水是如何拥抱颗粒的方式之中。这个通过挤压颗粒筏穿过孔洞的简单实验，为研究这些漂浮材料如何记住过去提供了一种新途径，暗示着决定其机械行为的秘密就隐藏在这些微小的、潮湿的接触细节之中。
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