沙子像固体一样，在没有外界干扰的情况下可以保持静止，形成沙丘一样的景观；像液体一样，在外力作用下可以流动，可以作为沙漏来计时。糖果、沙子、谷物堆，这些我们身边常见的颗粒状物质是怎样的一种存在？它是固体还是液体？这不仅仅是孩子们玩沙子时的灵光一现，也是可以发表在《自然》杂志上的严肃而重要的科学问题。

一切都在流动，没有什么会停留。王玉洁团队第一次使用CT成像。看& rdquo颗粒物微观动态过程清晰。发现实验粒子系统具有与普通液体完全不同的微观动力学，认为传统意义上理解的粒子& ldquo固体& rdquo它是一种临界固体，正好处于液固相的边界。

CT粒子。

沙子、大米、巧克力豆& hellip& hellip这些粒子在生活中无处不在，但人们对其动力学行为的了解总是非常有限。理论上，由于是处于非平衡态的多体耗散系统，颗粒物质在不同条件下会表现出气体、液体和固体的特性，至今没有完整的统计力学理论框架。在实验中，颗粒物质一般是不透明的，由于传统实验技术的限制，很难观察到其内部的运动状态。2005年，《科学》杂志将沙子的非平衡动力学理论列为亟待解决的125个重大科学问题之一。

要想窥探颗粒物质运动的奥秘，首先要看清颗粒物质的内部运动状态。近年来，王玉洁主要从事同步辐射X射线图像和软物质物理的研究。因此，王玉洁& ldquo打开你的心灵& rdquo颗粒物被送到医院，通过CT成像进行了近千次扫描，记录颗粒的运动情况。

王玉洁的团队对椭球颗粒材料施加循环准静态剪切应变，输入能量使其移动，然后通过CT测量其位置和方向。这样，他们就可以监测空之间每个粒子的三维轨迹，从而确定它们的位移和转动随时间的变化。

像固体但更像液体。

由于组成颗粒物质的单个粒子与组成气体-液体-固体的原子和分子非常相似，在过去的几十年中，物理学家认为可以用固体和液体力学的理论来研究颗粒物质，即传统的硬球模型。& ldquo起初，我们总是将实验结果限制在粒子大小上，但我们遇到了很大的困难。& rdquo王玉洁说。

恒河的沙子数不胜数。每一次实验观察都会产生大量的数据，必须对这些数据进行统计分析，才能发现规律。但是发现这些实验现象无法用当时普遍使用的硬球模型来解释。也就是说，颗粒物并不等同于传统意义上的理想液体和固体。

& ldquo这种类比方法失去了一些重要的东西，尤其是颗粒表面粗糙度等微观尺度对系统微观动力学的影响。& rdquo王玉洁的团队发现，颗粒物质存在多尺度现象，即表面是除颗粒大小之外不可忽视的一个方面，颗粒物质的表面并不是绝对光滑的。正是这些微小的尺度决定了颗粒物独特的运动特征。

& ldquo发现原来普遍认为的颗粒状固体实际上是液固边界的临界相，在很小的外界扰动下就会被流化，在很多情况下实际上表现得更像液体。& rdquo王玉洁说，这也解释了沙子静止时是沙丘；轻微的外部干扰就会& ldquo流量& rdquo，像一个沙漏。然而，粒子系统具有固体的性质。因为粒子系统是一个耗散系统，外界微扰的能量会迅速转移到原子级，所以微扰消失后系统会停止流动而恢复& ldquo固体& rdquo表单。

小颗粒和大应用

对沙子运动状态的研究，看似只是纯粹的物理理论研究，其实不然。从储存在粮仓的米粒到堆积如山等待冶炼的矿石，从沿海大坝的巨石到月球土壤& hellip& hellip由于颗粒物的无处不在，决定了其广泛的应用背景。

颗粒物是许多应用学科的载体，也是地球上除水之外第二大被加工的工业原料。颗粒输送是化学、食品、医药、冶金、建筑、农业和制造业自动化的基础。而现有的工程理论主要是基于经验的宏观本构理论，微观机理不是很清楚，在很多实际应用中存在困难。王玉洁认为& ldquo以统计力学为基础，从微观结构和动力学出发，建立颗粒材料体系宏观连续介质力学的理论框架是必然的途径。这不仅是追求科学真理的过程，也给实际应用带来意义。& rdquo

此外，颗粒物也是一些地质作用的实际载体，包括地震和泥石流。对颗粒物微观结构和动力学的研究有助于预防和控制自然灾害，包括地震和泥石流，甚至& ldquo一带一路& rdquo对施工中遇到的海底、地基加固、沙漠治理等领域有了更深入、更准确的了解。

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