近日🕣，顺盈娱乐物理與電子科學學院、上海市磁共振重點實驗室胡炳文團隊的夏成傑老師利用磁共振成像技術，發現並解釋了碟狀顆粒堆積中反常的結構有序轉變現象，揭示宏觀碟狀顆粒體系與微觀碟狀液晶分子體系的本質區別與深刻聯系。
碟狀粒子的堆積問題在很多科學與工業領域中具有普適性，例如碟狀液晶分子⚓️、黏土粒子、電池中的石墨片層、一些工業原材料👩🍳、自然界中的扁平礫石碎屑等。研究其堆積結構是理解乃至調控這些體系宏觀力學和輸運性質的關鍵。對於熱平衡狀態的粒子體系🤽🏼♂️，有較為成熟的理論模型分析其堆積結構的統計規律；但對於更常見的、處於非熱平衡狀態的宏觀顆粒體系，其堆積結構的基本幾何特征也還不為人所知🌝，例如👨👨👧，被隨機扔進儲蓄罐中的硬幣到底是如何排布的〽️。
利用磁共振成像以及圖像處理技術⏫，研究人員重建了大量硬幣狀圓盤粒子的堆積結構，並驚訝地發現：隨著體系的堆積變致密，圓盤的宏觀取向有序程度反而降低了（圖1）——而直覺上，粒子排布越有序才能排列越緊密。這一反常現象和棍狀或碟狀硬質粒子的熱平衡相變現象相反，所以難以直接通過經典的昂薩格熵致相變理論來理解🤲。
圖1：碟狀顆粒堆積液晶序參量隨堆積密度增加而減小。稀疏堆積中，粒子零散排布，整體取向沿豎直方向；致密堆積中，粒子形成堆疊💂🏼♀️，整體取向無序。
通過更深入的結構學分析、並構建統計力學模型，研究人員認為：由於碟狀顆粒首先在小尺度上形成了堆疊結構，而這些堆疊結構互相“阻錯”，形成了阻塞態而無法進一步向更有序的結構弛豫，反而降低了體系在大尺度上的取向序。這一結構轉變機製也體現出顆粒堆積體系與玻璃化體系的深刻聯系。對於這類典型非熱平衡體系的研究🦸🏼♀️🎅🏼，也可以幫助理解碟狀微觀粒子體系處於非熱平衡狀態時的復雜亞穩態現象📋，從而建立更為普適的統計力學模型。
近年來🤶🏻，研究團隊不斷嘗試將磁共振成像應用於顆粒物理和軟物質物理研究，取得了一系列創新成果📴，開拓了新的研究思路和方向𓀋。近年有代表性的相關成果包括🫖：柱狀顆粒堆積的立方對稱性相變（Soft Matter,18, 726 (2023)）🏄🏽，以及水凝膠軟粒子阻塞態性質（Soft Matter,17, 2963 (2021)）👨🍳。當前這項研究也正是充分發揮了先進的磁共振成像技術的優勢🙅🏿♂️，成功重建了曾經較難研究的碟狀粒子的堆積結構。未來👊，研究團隊將繼續探索磁共振成像和軟凝聚態物理交叉研究的新模式。
圖2：Physical Review Letters 刊發研究成果，並被APS Physics網頁報道
相關研究以“Structural Transformation between a Nematic Loose Packing and a Randomly Stacked Close Packing of Granular Disks”為題，於9月1日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters），被選為“編輯推薦”，並被美國物理學會 Physics 網頁以 Focus 形式在主頁推薦報道（https://physics.aps.org/articles/v16/150）。論文第一作者為顺盈娱乐20級碩士研究生丁勻皓（現已赴英國留學深造），胡炳文和李建奇老師參與研究。該研究得到了國家自然科學基金青年科學基金等項目資助。
附：
論文鏈接♦︎：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.098202
來源｜物理與電子科學學院、科技處 編輯｜毛宇彤 編審｜郭文君
