Nature子刊：颗粒物混合中也有规律可循

实现液体的混合很容易，至少可以将其科学地解释为：一滴食物色素最终会通过扩散混入一杯水中，而一团奶油可以用勺子通过激烈的搅拌混入咖啡中。

但是混合那些兼具固液特性的材料，如混凝土、油漆和沙子呢？这些被称为屈服应力材料的混合物既可以像液体一样流动，又可以像固体一样保持静止。了解这些材料是如何混合的，对药品和混凝土等制造行业将大有裨益；但目前为止，大家对如何使其良好混合知之甚少。

在Nature Communications的一篇新论文中，西北工程公司的研究人员报告称：屈服应力材料在混合后会产生混合区域和非混合区域，这为如何设计混合方案打下了基础。Julio Ottino、Paul Umbanhowar和Richard Lueptow担任了该论文的共同作者。

化学和生物工程教授奥蒂诺表示：“颗粒物质流动的理论基础目前还有些欠缺。我们已经在无序中发现了明显的秩序持久性存在。研究人员想要了解‘在基本系统中混合颗粒材料的效果如何’，即材料是否会类似于固体，像一副牌似的通过‘切割和洗牌’的方式混合？或者它会类似于蜂蜜一样的粘性液体，通过“拉伸和弯曲”的方式混合？”

为了找到答案，研究人员用一个2毫米大小的玻璃珠填充了一个球形玻璃杯的一半。当滚筒旋转时，他们发现顶层的玻璃珠会像流体一样流到球体底部，而其他珠子就像固体一样保持在原位。

接下来，研究人员尝试围绕不同的旋转轴，旋转滚筒以混合珠子。为了追踪珠粒的混合程度，他们在珠子内放置了一个4mm的示踪粒子并反复进行旋转（有时高达500次），并同时拍摄球体的X射线图像以查看示踪粒子最终的位置。

尝试了几种不同的旋转方案之后，研究人员发现必然会存在混合区和非混合区，这是由两种混合方法（切割和重组、拉伸和弯曲）之间的相互作用引起的。机械工程系研究员Umbanhowar教授说：“即使材料经常以这种切割和重组的方式移动，但所有这些间隔物会一起移动，从而导致有些区域永远都不会混在一起。”

这一概念可以通过一些有趣的、联想不到的地方来理解，例如西班牙圣诞彩票：将100,000个带有特殊标号的小木球放在一个球体中翻滚，而将标有奖品的1807个球放在另一个球体中翻滚。在绘图期间，从两个球体中取出一个标有奖品的球和一个带有特殊标号的球，直到奖球球体抽空为止。但如果滚筒中包括混合区和非混合区，则球在滚筒中的初始位置成为是否将被选中的一个重要因素。

原文来自：materialstoday，原文题目：New study finds ‘order amid chaos’ when mixing granular material，由材料科技在线团队翻译整理。