Preparation history can outweigh descriptor definition in frictionless bidisperse packings below jamming
在低于阻塞转变（jamming）的无摩擦双分散堆积中，组装路径（制备历史）对细微网络连通性描述符的影响力强于接触间隙阈值的定义，这挑战了形态仅是状态变量函数的假设。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://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
想象一堆沙子。对于地质学家或工程师来说，这堆沙子的行为——它是如何支撑道路、如何通过漏斗流动、或者如何支撑建筑——取决于沙粒是如何排列的。几十年来，科学家们一直基于一个令人安心的假设进行研究：如果你知道颗粒的大小、数量以及它们堆积得有多紧密，你就掌握了沙堆的结构。人们曾认为，仅凭这些数字就能决定颗粒之间微观接触网络的形状。如果两堆沙子的成分和密度相同，它们就被认为是结构相同的，无论其形成过程如何。这一理念构成了我们对土壤力学和复合材料设计理解的基础。但如果沙堆的历史比其当前的成分更重要呢？如果沙子被倾倒、摇晃或沉降的方式留下了永久的指纹，即使在各项数值看起来完全一致的情况下，也会改变材料的行为呢？
这个问题正是河内土木工程大学与交通运输大学研究人员的一项新研究的核心。他们旨在测试构建颗粒填充物的“配方”是否比用于描述它的标准测量指标更为重要。为此，他们利用计算机模拟，创造了一个充满数百万个由两种不同尺寸组成的平滑、无摩擦球体的虚拟世界。在现实世界中，创造一个完美且可重复的沙堆几乎是不可能的；而在计算机中，研究人员可以绝对精确地控制每一个变量。他们构建了两类在所有可测量方面都完全相同的沙堆：小球与大球的比例相同、每种球的数量相同，且整体密度也相同。唯一的区别在于组装它们的方法。其中一组沙堆是通过从微小的种子开始生长球体直至填满空间来构建的，这个过程使得许多颗粒处于接触或接近接触的状态。另一组则从第一种类型的沙堆开始，随后经过了一次虚拟的“摇晃”和松弛过程，旨在让颗粒在不改变整体密度的情况下，通过震动进入一种更稳定的状态。
研究人员随后检查了这些沙堆的一个特定特征：较小球体的连通性。他们提出了一个简单的问题：在什么情况下，小球会形成一个连续的、贯穿整个系统的网络？在颗粒材料的世界里，这种网络至关重要，因为它通常决定了力如何在材料中传递，或者流体如何通过材料。为了找到这个“临界点”，他们定义了一条规则：如果两个小球之间的表面间隙小于其直径的一小部分，则视为相互连接。他们随后改变了这个间隙规则，使其变得更严格或更宽松，以观察这个临界点会如何移动。他们预料到，改变这条规则会改变结果，因为“连接”的定义在某种程度上是具有主观性的。
然而，结果揭示了一个惊人的现实。当研究人员对比这两堆构建方式不同但其他属性完全相同的沙堆时，它们在连通性方面的差异巨大。通过“生长”法构建的沙堆，在小球浓度较低时就形成了小球的连续网络，而经过“摇晃并沉降”处理的沙堆则需要更高的浓度。事实上，仅仅通过改变组装方法引起的偏移，远大于通过将连接定义改变十倍所引起的偏移。在特定的密度下，改变组装路径会导致临界点发生显著位移，而将连接规则放宽十倍，其引起的位移却不及前者的一小部分。这意味着，材料制备的过程史可以超过用于衡量其结构的定义本身。
研究人员进一步挖掘，试图理解这种差异源于何处。他们观察了颗粒之间的微小间隙。他们发现，“生长型”沙堆中充满了成对出现的小球，这些球体几乎相互接触，处于仅为球体直径几个百分点的狭窄空间窗口内。而摇晃过程有效地排除了这些近乎接触的配对，使得摇晃后的沙堆中这类关键接触点的数量大大减少。这种差异如此局部化且显著，以至于完全改变了网络的行为。研究表明，这种效应并非由于样本量过小导致的偶然现象；即使在增加粒子数量的情况下，该现象依然成立。此外，研究人员开发了一种方法，将这种“历史”作为一个连续的数值而非仅仅是一个标签来进行测量。他们发现，这个单一数值可以高精度地预测沙堆的连通性，但前提是必须针对具有相同整体密度的沙堆进行预测。如果密度发生变化，这种关系就会失效，这证明了历史与密度是以一种复杂的、不可忽视的方式交织在一起的。
这项发现的影响超出了一个虚拟的球体堆。在现实世界中，像土壤、混凝土或药物粉末之类的材料，通常仅通过其成分和密度来描述。这项研究表明，此类描述是不完整的。如果两份土壤样本的颗粒大小和密度相同，但一份是由河流沉积形成的，而另一份是由机器压实的，它们的表现可能会截然不同。研究表明，这种制备过程的差异会导致可测量的机械刚度差异：尽管成分完全相同，“生长型”虚拟材料的刚度比其“摇晃型”对手高出近百分之七。这挑战了工程师用来预测材料如何响应应力的标准模型。它表明，要真正理解一种颗粒材料，必须考虑它是如何制造出来的，而不只是它是由什么制造的。沙堆的历史不仅仅是一个脚注；它是材料身份的一个基本组成部分，能够改变其性质，甚至超过我们用来衡量它的那些人为定义的规则。
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