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发信人: leader (kikizh), 信区: Physics 标题: 二维颗粒流的结晶化发信站: BBS 珞珈山水站 (Tue Nov 14 19:01:31 2006) 二维颗粒流的结晶化作者：Michael Schirber 文，葛韶锋译注释：Shaky Equilibrium, Physical Review Focus, 30 June 2006. (1408字) 相关网址：http://focus.aps.org/story/v17/st24 摘要/内容：根据今年六月三十日出版的《物理学评论快报》报道，在粗糙的平面上被不断晃动的颗粒可以形成晶体的结构。虽然此前的研究已经观察到了这种变换的发生，但是这个实验观察到了整个转换的细节，比如结晶化——类似于真正晶体的性质——的条件，这一点还是第一次做到。这种惊人的相似性有可能意味着一些复杂体系，比如雪崩（Avalanches）、药末（Pharmaceutical Powder）甚至活细胞，可以由描述气体和流体的基本物理规律就可以解释。当不断地被晃动并且密度合适的时候，这些小钢珠会结晶，形成规则的晶体结构。虽然这些小球远离平衡，但是这却和计算机对处于平衡态的流体进行模拟得到的结果精确地符合。理论家们使用教科书上的热力学理论就可以计算材料的性质，比如温度和压力，而不需要了解构成材料的分子之间极其复杂的相互作用细节。来自纽约城市大学的Mark Shattuck说，在体系处于平衡态时，理论可以告诉我们关于体系所有重要的信息。所谓体系处于平衡态，就是说体系和环境之间的能量交换达到收支平衡。但是，自然现象，比如流动的颗粒状物质（Granular Material）以及等离子体，总是会通过摩擦或是热耗散碰撞（Heat-di ssipating Collision）损失能量。为了发展出一套像热力学那样，并且可以用于非平衡系统的理论，研究者们一直在研究诸如沙子和小球这样的颗粒状物质，这部分是由于这种理论可以解决地质学以及工业设施中遇到的一些问题。实验家们曾经观察到当受到晃动的时候，颗粒状物质可以形成像晶体一样的图案，但是难以对此前的这些实验结果建模并且很难和平衡现象进行比较。Pedro Re is最近刚刚去了在巴黎的工程物理和化学研究所（ESPCI: Institute of Industrial Phy sics and Chemistry），他告诉我们，现在还没有像对气体和流体能对颗粒状物质做出预言的模型。为了更好地理解颗粒的性质，Reis、Shattuck以及他们的同事们决定在很大的密度——这是一个比温度更容易和计算机模拟结果进行比较的参量——范围内测量结晶化过程。这些研究者们选择了直径为1.2毫米的钢珠，并将这些小钢珠放置在一个封闭透明的水平盘子中，这个扁平盘子的厚度仅允许钢珠在其中轻微地上下移动，在实验中，他们将这个盘子以每秒钟50次的频率上下晃动。和其它实验不同的是，他们将盘子的内表面打磨粗糙，这样就使得钢珠上下晃动碰到盘子内表面的时候会受到一个随机的水平作用力，从而输入的能量也变成随机的。通过一台高速的照相机，他们可以确定盘子中钢珠的位置。当密度比较低的时候，这些钢珠就像弥散的气体那样流动；而当密度增加时，它们突然变换成有序的晶体图案。文章的作者声称，转变密度（Transition Density）几乎和通过计算机对处于平衡态的理想二维流体进行模拟时观察到的密度一致。此外，在很大的密度范围内，他们还观察到其它几个描述结晶化程度的参量——比如每个粒子周围紧邻的粒子所形成的几何图案，以及粒子位置之间的关联——也和平衡态模拟中得到的数值非常好地吻合。这个小组在他们的文章还谈到，这种紧密的对应显示出颗粒之间的相互作用遵守和处于热力学平衡态的体系同样的普遍规律。来自宾西法尼亚大学的Douglas Durian认为，晃动着的颗粒状物质具有类似于平衡态的性质这个事实是很令人吃惊的，因为此前认为，对颗粒状流体（Granular Fluid）连续地提供能量会导致颗粒倾向于某种特殊的相互作用方式。Reis评论道，均匀地注入能量（同时使用粗糙的表面）看起来似乎比能量守恒更为重要。大多数处于非平衡态的体系没有这种均匀地提供外界能量的条件。Durian认为，研究这种简单的稳恒态（Steady State）情形会提供一种直觉，使得能够将热力学应用于其它领域 ——比如细胞生物学（Cell Biology）以及制药工业（Pharmaceutical Industry）——中更为困难的问题。原始文献： Crystallization of a Quasi Two-Dimensional Granular Fluid P. M. Reis, R. A. Ingale, and M. D. Shattuck Phys. Rev. Lett. 96, 258001 (预印本) (issue of 30 June 2006) 关键词：颗粒流相变 -- ※ 来源:·珞珈山水BBS站 http://bbs.whu.edu.cn·[FROM: 159.226.37.*]
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发信人: leader (kikizh), 信区: Physics
标题: 二维颗粒流的结晶化
发信站: BBS 珞珈山水站 (Tue Nov 14 19:01:31 2006)

二维颗粒流的结晶化

作者：Michael Schirber 文，葛韶锋译
注释：Shaky Equilibrium, Physical Review Focus, 30 June 2006. (1408字)
相关网址：

http://focus.aps.org/story/v17/st24

摘要/内容：

根据今年六月三十日出版的《物理学评论快报》报道，在粗糙的平面上被不断晃动的颗粒
可以形成晶体的结构。虽然此前的研究已经观察到了这种变换的发生，但是这个实验观察
到了整个转换的细节，比如结晶化——类似于真正晶体的性质——的条件，这一点还是第
一次做到。这种惊人的相似性有可能意味着一些复杂体系，比如雪崩（Avalanches）、药
末（Pharmaceutical Powder）甚至活细胞，可以由描述气体和流体的基本物理规律就可以
解释。

当不断地被晃动并且密度合适的时候，这些小钢珠会结晶，形成规则的晶体结构。虽然这
些小球远离平衡，但是这却和计算机对处于平衡态的流体进行模拟得到的结果精确地符合
。

理论家们使用教科书上的热力学理论就可以计算材料的性质，比如温度和压力，而不需要
了解构成材料的分子之间极其复杂的相互作用细节。来自纽约城市大学的Mark Shattuck说
，在体系处于平衡态时，理论可以告诉我们关于体系所有重要的信息。所谓体系处于平衡
态，就是说体系和环境之间的能量交换达到收支平衡。但是，自然现象，比如流动的颗粒
状物质（Granular Material）以及等离子体，总是会通过摩擦或是热耗散碰撞（Heat-di
ssipating Collision）损失能量。

为了发展出一套像热力学那样，并且可以用于非平衡系统的理论，研究者们一直在研究诸
如沙子和小球这样的颗粒状物质，这部分是由于这种理论可以解决地质学以及工业设施中
遇到的一些问题。实验家们曾经观察到当受到晃动的时候，颗粒状物质可以形成像晶体一
样的图案，但是难以对此前的这些实验结果建模并且很难和平衡现象进行比较。Pedro Re
is最近刚刚去了在巴黎的工程物理和化学研究所（ESPCI: Institute of Industrial Phy
sics and Chemistry），他告诉我们，现在还没有像对气体和流体能对颗粒状物质做出预
言的模型。为了更好地理解颗粒的性质，Reis、Shattuck以及他们的同事们决定在很大的
密度——这是一个比温度更容易和计算机模拟结果进行比较的参量——范围内测量结晶化
过程。

这些研究者们选择了直径为1.2毫米的钢珠，并将这些小钢珠放置在一个封闭透明的水平盘
子中，这个扁平盘子的厚度仅允许钢珠在其中轻微地上下移动，在实验中，他们将这个盘
子以每秒钟50次的频率上下晃动。和其它实验不同的是，他们将盘子的内表面打磨粗糙，
这样就使得钢珠上下晃动碰到盘子内表面的时候会受到一个随机的水平作用力，从而输入
的能量也变成随机的。

通过一台高速的照相机，他们可以确定盘子中钢珠的位置。当密度比较低的时候，这些钢
珠就像弥散的气体那样流动；而当密度增加时，它们突然变换成有序的晶体图案。文章的
作者声称，转变密度（Transition Density）几乎和通过计算机对处于平衡态的理想二维
流体进行模拟时观察到的密度一致。此外，在很大的密度范围内，他们还观察到其它几个
描述结晶化程度的参量——比如每个粒子周围紧邻的粒子所形成的几何图案，以及粒子位
置之间的关联——也和平衡态模拟中得到的数值非常好地吻合。这个小组在他们的文章还
谈到，这种紧密的对应显示出颗粒之间的相互作用遵守和处于热力学平衡态的体系同样的
普遍规律。

来自宾西法尼亚大学的Douglas Durian认为，晃动着的颗粒状物质具有类似于平衡态的性
质这个事实是很令人吃惊的，因为此前认为，对颗粒状流体（Granular Fluid）连续地提
供能量会导致颗粒倾向于某种特殊的相互作用方式。Reis评论道，均匀地注入能量（同时
使用粗糙的表面）看起来似乎比能量守恒更为重要。

大多数处于非平衡态的体系没有这种均匀地提供外界能量的条件。Durian认为，研究这种
简单的稳恒态（Steady State）情形会提供一种直觉，使得能够将热力学应用于其它领域
——比如细胞生物学（Cell Biology）以及制药工业（Pharmaceutical Industry）——中
更为困难的问题。

原始文献：
Crystallization of a Quasi Two-Dimensional Granular Fluid
P. M. Reis, R. A. Ingale, and M. D. Shattuck
Phys. Rev. Lett. 96, 258001 (预印本)
(issue of 30 June 2006)

关键词：颗粒流相变

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※ 来源:·珞珈山水BBS站

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