近日，我校地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室和数理学院王宇杰教授团队及其合作者研究了颗粒物质在循环剪切下的微观动力学，揭示了颗粒物质的独特弛豫机制和屈服行为。该研究近期以“From creep to flow: Granular materials under cyclic shear”为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）。该项成果标志着成都理工大学在颗粒物理以及土力学基础研究方向取得的重要突破。
颗粒物质是由大量宏观粒子组成的离散体系，包括土壤、谷粒、矿石等。颗粒物质与许多重要的工程应用问题密切相关，同时也是地震、泥石流等地质过程的主要载体。自然界中的颗粒物质在没有外力作用时往往像固体一样保持静止，并以无序堆积结构存在，与金属玻璃、胶体玻璃等相似，因而被视为无序固体中的一类。屈服（Yield）是固体材料的一大特性，指材料在应变的积累下，从弹性区域过渡到塑性区域的转变点。在弹性区时，材料在外应力作用下会发生弹性形变，又在外加载荷卸载后恢复到原样，而当应变超过屈服点后，体系则会发生不可逆的塑性形变。颗粒物质在简单剪切下的宏观应力-应变曲线与一般非晶固体类似，然而，在受循环载荷作用时其微观动力学存在更复杂的屈服现象，是否存在完全弹性区域存在争议，表现为在屈服应变下仍会发生蠕变最终导致材料被破坏。这对颗粒物质作为工程材料或地质载体在地震、水流冲击等长期循环载荷下的稳定性问题带来了巨大的挑战。同时，颗粒的表面粗糙度对其力学响应行为的影响也缺乏理解。通过对不同幅度循环剪切下的颗粒体系开展系统研究，能更有效地帮助我们从微观动力学的角度厘清上述疑问。
王宇杰团队及合作者采用X射线CT成像技术追踪了两种不同粗糙度的颗粒系统在循环剪切下的三维运动轨迹。两种系统在不同的剪切幅度下都呈现出从蠕变（亚扩散）到流动（简单扩散行为）的转变，证实了颗粒物质不存在完全弹性响应区域，在屈服点之前材料仍会发生蠕变。同时，在实验中发现当颗粒粗糙度较小时，在幅度约为0.1的循环剪切下，颗粒体系表现出显著的动力学变慢和动力学非均匀性；而当粗糙度较大时，动力学随着剪切幅度连续演化。这些结果说明颗粒粗糙度在经典的玻璃态能量景观中引入了新的尺度，进而改变了系统的弛豫机制。
图 两种粗糙度的颗粒体系（左：小粗糙度；右：大粗糙度）在循环剪切下的扩散行为（上）与能量景观（下）。
王宇杰研究团队所看到的实验现象和对应的物理解释表明颗粒体系的多尺度特性在理解其独特的微观动力学、宏观屈服和流变行为时十分关键。同时，这一结果对于理解多个重要的工程和地质过程，例如微小地震下的滑坡启动行为以及堆石坝等土木工程结构在长期循环载荷下变形等难题非常关键。
论文第一作者是上海交通大学物理与天文学院博士后袁野（合作导师王宇杰教授），通讯作者为我校王宇杰教授与我校兼职教授Walter Kob教授。该工作得到了国家自然科学基金No. 11974240、上海市科委项目No. 22YF1419900以及中国博士后科学基金项目No. 2021M702151的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48176-6
