近日，华东师范大学物理与电子科学学院、上海市磁共振重点实验室胡炳文团队的夏成杰老师利用磁共振成像技术，发现并解释了碟状颗粒堆积中反常的结构有序转变现象，揭示宏观碟状颗粒体系与微观碟状液晶分子体系的本质区别与深刻联系。
碟状粒子的堆积问题在很多科学与工业领域中具有普适性，例如碟状液晶分子、黏土粒子、电池中的石墨片层、一些工业原材料、自然界中的扁平砾石碎屑等。研究其堆积结构是理解乃至调控这些体系宏观力学和输运性质的关键。对于热平衡状态的粒子体系，有较为成熟的理论模型分析其堆积结构的统计规律；但对于更常见的、处于非热平衡状态的宏观颗粒体系，其堆积结构的基本几何特征也还不为人所知，例如，被随机扔进储蓄罐中的硬币到底是如何排布的。
利用磁共振成像以及图像处理技术，研究人员重建了大量硬币状圆盘粒子的堆积结构，并惊讶地发现：随着体系的堆积变致密，圆盘的宏观取向有序程度反而降低了（图1）——而直觉上，粒子排布越有序才能排列越紧密。这一反常现象和棍状或碟状硬质粒子的热平衡相变现象相反，所以难以直接通过经典的昂萨格熵致相变理论来理解。
图1：碟状颗粒堆积液晶序参量随堆积密度增加而减小。稀疏堆积中，粒子零散排布，整体取向沿竖直方向；致密堆积中，粒子形成堆叠，整体取向无序。
通过更深入的结构学分析、并构建统计力学模型，研究人员认为：由于碟状颗粒首先在小尺度上形成了堆叠结构，而这些堆叠结构互相“阻错”，形成了阻塞态而无法进一步向更有序的结构弛豫，反而降低了体系在大尺度上的取向序。这一结构转变机制也体现出颗粒堆积体系与玻璃化体系的深刻联系。对于这类典型非热平衡体系的研究，也可以帮助理解碟状微观粒子体系处于非热平衡状态时的复杂亚稳态现象，从而建立更为普适的统计力学模型。
近年来，研究团队不断尝试将磁共振成像应用于颗粒物理和软物质物理研究，取得了一系列创新成果，开拓了新的研究思路和方向。近年有代表性的相关成果包括：柱状颗粒堆积的立方对称性相变（Soft Matter,18, 726 (2023)），以及水凝胶软粒子阻塞态性质（Soft Matter,17, 2963 (2021)）。当前这项研究也正是充分发挥了先进的磁共振成像技术的优势，成功重建了曾经较难研究的碟状粒子的堆积结构。未来，研究团队将继续探索磁共振成像和软凝聚态物理交叉研究的新模式。
图2：Physical Review Letters 刊发研究成果，并被APS Physics网页报道
相关研究以“Structural Transformation between a Nematic Loose Packing and a Randomly Stacked Close Packing of Granular Disks”为题，于9月1日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），被选为“编辑推荐”，并被美国物理学会 Physics 网页以 Focus 形式在主页推荐报道（https://physics.aps.org/articles/v16/150）。论文第一作者为华东师范大学20级硕士研究生丁匀皓（现已赴英国留学深造），胡炳文和李建奇老师参与研究。该研究得到了国家自然科学基金青年科学基金等项目资助。
附：
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.098202
来源｜物理与电子科学学院、科技处 编辑｜毛宇彤 编审｜郭文君
