沙子谁没玩过呢？可是背后的玄机又有几个人想过？今天Nature在线发表的一篇论文，报道了上海交大物理与天文学院、交大材料基因组联合研究中心、以及南京大学人工微结构协同创新中心王宇杰特别研究员及合作者的研究论文，Granular Materials Flow like Complex Fluids, 报道了他们将沙子玩上Nature的深刻洞见，即便对其他领域的学者，也颇有启迪意义。
沙子既像固体，在没有外界干扰的时候能保持静态，形成沙丘之类的景观；也像液体，在外力作用下能够流动，可以用做沙漏记时。像沙子之类的所谓颗粒物质(granular materials)如上图所示，可谓无所不在。可是令人惊讶的是，我们对其动态行为所知仍然非常有限。在理论上，对于这样一个非平衡态的多体耗散系统，迄今还没有合适的统计力学理论框架对其研究。
王宇杰教授近年一直从事同步辐射X射线影像和软物质物理研究。在这一工作中，他与合作者将医学影像常用的CT用于颗粒物质研究，如上图所示。研究人员对椭球状的颗粒物质施加循环的准静态剪切应变，等效于热扰动，然后运用CT测量其位置与取向。这样他们就能够监控每一个颗粒在空间的三维轨迹，如下图所示的20个颗粒实例，从而确定它们的位移与旋转随时间的变化规律。
为解释所观察到的反常扩散行为，研究人员定义了颗粒位移分布的时间关联函数，即颗粒在两段连续的时间间隔内分别产生位移d1和d2的概率。他们发现，在相对较小的应变下，这两个时间间隔产生相关位移的概率是相互独立的，如下图ab所示。但在相对较大的应变下，如下图cd所示，则后面的位移取决与前面的位移，即颗粒存在所谓的记忆效应。
颗粒物质是很多应用学科的载体。但现有的工程理论主要是基于经验的宏观本构理论，缺少微观机制和机理，在很多实际应用中遇到了很大的困难。因此借鉴学科历史的发展途径，基于统计力学，从微观结构和动力学开始建立颗粒物质体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径，具有非常重要的意义。这项工作对包括地震、泥石流、山体滑坡研究在内的应用学科研究也会产生很大潜在的影响。