Investigating the Nature of Discontinuous Shear Thickening: Beyond a Mean-Field Description
本文通过对稠密悬浮液模拟中的力网络进行高阶聚类分析，揭示了在不连续剪切增稠转变附近有效相互作用势发生的显著变化，从而挑战了平均场描述，并支持了该现象涌现场论的发展。
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
想象一种由悬浮在液体中的微小固体颗粒组成的浓稠、粗糙的混合物，就像玉米淀粉和水，或者湿沙子。在正常条件下，这种混合物流动得很顺畅。但如果你用力推或快速搅拌，奇怪的事情就会发生：它会突然变得像固体一样僵硬，通过剧烈的粘度激增来抵抗你的运动。科学家们称这种现象为“不连续剪切增稠”。多年来，一个相对简单的想法一直是主流解释：随着混合物的被挤压，微小的颗粒被迫靠得更近。在一个临界点，颗粒之间光滑、润滑的液体层发生崩溃，颗粒开始相互摩擦。这种从光滑到粘滞接触的转变被认为是导致突然变硬的唯一原因，这种观点可以通过对所有颗粒的行为进行平均来描述。
然而，这个简单的图景留下了一个空白。虽然混合物的平均行为已被很好地理解，但在增稠发生的瞬间，微观层面的细节仍然是一个谜。观察混合物的标准方法（例如追踪颗粒的确切位置）显示，当增稠开始时，颗粒的位置几乎没有变化。颗粒并没有重新排列成一种相机能轻易捕捉到的新模式。然而，实验表明，在维持混合物结构的力网络深处，正在发生一些重要的变化。研究人员面临的问题是：如果颗粒的位置看起来没有变化，那么究竟是什么在发生变化，使得混合物如此剧烈地锁死？
一群物理学家现在通过将注意力从颗粒“在哪里”转向它们如何“相互推拉”，对这个问题进行了全新的审视。他们不再绘制颗粒的位置图，而是绘制了连接它们的无形力网络。他们对两千个颗粒组成的稠密悬浮液进行了详细的计算机模拟，并对其施加受控的应力。通过分析数据，他们发现，虽然颗粒的物理排列基本保持不变，但力的结构却经历了剧烈的转变。当混合物接近突然增稠的点时，颗粒之间的力开始组织成明显的、大规模的集群。这些集群在颗粒的位置中是不可见的，但在力的模式中却清晰可见。
为了理解这些复杂的力模式，研究人员开发了一种简化数据的新方法。他们将力汇聚的点视为其自身的粒子，并让它们相互作用。通过滤除由流体引起的微小、随机的抖动，并专注于更大、更显著的接触点，他们构建了一个“有效势能”。这是一个关于这些力点如何相互吸引或排斥的数学描述。他们发现，这种势能的形状取决于混合物处于逐渐增稠状态还是突然的不连续增稠状态。在混合物发生突然变硬的状态下，力点之间的排列方式表明，该系统更容易产生大规模、不可预测的波动。
随后，研究人员利用这种新描述运行了自己的模拟，将力点视为一个相互作用的粒子系统。他们发现，不同的力势能形状会导致性质截然不同的行为。在混合物突然增稠的机制中，系统表现出长寿命、不稳定的状态，这与在其他条件下看到的稳态流动非常不同。这表明，突然的增稠不仅仅是由于更多的颗粒在相互摩擦，而是整个力网络组织方式发生了根本性的转变。这项研究表明，这种转变涉及应力的复杂重组，这种重组创造了大规模、间歇性的波动，而仅观察平均值的标准理论无法捕捉到这一点。
这项工作并没有推翻“颗粒间的摩擦很重要”这一观点，但它揭示了故事比之前认为的更加复杂。研究人员建议，要完全理解为什么这些混合物会锁死，不能仅仅观察摩擦接触的简单平均值，而必须考虑力网络的集体性和波动性。他们的发现指向了一种看待这些材料的新方式，即将力网络视为一个能够产生自身相变的动态系统。虽然这项研究依赖于计算机模拟，且尚未提供一个完整、最终的理论，但它提供了一个引人入胜的新视角。它表明，稠密悬浮液的突然增稠是由力的隐藏的大规模重组驱动的，这种重构创造了一个脆弱且不断波动的状态，等待着哪怕最轻微的推动便会瞬间变为固体。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。