| 科學家提出球體「打包」新解 |
| 有望應用於從醫藥到製造的諸多領域 |
陳浩基的聖誕節裝飾品包裝的圓筒—球體直徑比略大於2.7013。
圖片來源：H. K. Chan/愛爾蘭都柏林三一學院
有一天，愛爾蘭都柏林三一學院的物理學家陳浩基（音譯，Ho-Kei Chan）正在玩鋼珠軸承，嘗試著以最有效的合理方式將它們裝進一個圓柱形小管子中。這是一個棘手的難題，甚至需要一臺強大的計算機進行一周的計算。然而在一陣思考之後，陳浩基想出了一個簡單的數學算法。從納米尺度的巴基球到聖誕樹上的裝飾物，這一成果將幫助工程師們更為有效地包裝各種各樣的球體。
將球體儘可能多地裝在一個圓筒裡是時時刻刻都存在的一項挑戰。微流體工程師一直在努力解決這一問題——他們試圖在一根微小的毛細管中儘可能多地裝入傳遞藥物的泡沫，而製造商們也需面對這一難題——為了削減運輸費用，他們需要在一個可行的小包裝中包裝儘可能多的彈性球。這裡有很多可能的包裝模式。在一個緊身圓筒中的網球式單堆球是最簡單的；在交替方向上兩兩堆放是另一種方式。然而隨著圓筒變得越來越寬，螺旋的可能性也變得複雜得令人難以置信。那麼什麼是包裝它們的最佳方式呢？
陳浩基意識到可以通過想像圓筒中裝滿了像一摞盤子一樣的球狀軸承來解決這一問題，即每個盤子由單層的球狀軸承構成。隨後他針對這種方式編寫了一個計算機模擬模型。計算機會在一個盤子上放置球體，當空間用完了，它會向上直到找到足夠的空間來放另一個球體。這一模型會循環著在同一水平面放置合適的球體直至沒有空間，隨後它會再次向上，並重複這一系列過程。並非在某個盤子上的所有球體都需要是水平的，如果一個球體能夠向下一點從而進入由另外兩個球體在盤子底部形成的空間並緊密貼合也是可以的。同時，如果一個球體下方的其他球體將其向上抬起並略高於盤子中的其他球體也符合要求。
陳浩基非常高興地注意到，這一程序在筆記本電腦上僅僅運行15分鐘所得到的結果，與他在三一學院和英國阿伯裡斯特威斯大學的同事在計算機上持續一周的模擬結果非常接近。並且他還摸清了為什麼在一個圓筒中利用鋼珠軸承無法得到相同的結果。這是因為圓筒的平底使得鋼珠軸承能夠非直線移動，從而形成了一個較低密度的包裝。當陳浩基去商店購買聖誕節裝飾物時也發現了同樣的問題。然而這一發現使他相信，第一層球體可以作為一個模板。只要你在自己的圓筒底部有正確的排列形狀，獲得最密集的包裝是件輕而易舉的事。
陳浩基在即將出版的《物理評論E》上報告了這一研究成果。他目前的方法只適用於圓筒直徑與球體直徑之比小於2.7013的情況。這是很常見的——單筒網球的筒—球直徑比接近於1。陳浩基表示，如果比例高於此，則最密集的包裝要求一些位於中央的球體不接觸筒壁，而這將「更為複雜」。他和同事目前正在試圖解決這一問題。
西聖保羅市坎皮納斯州立大學的物理學家Douglas Galvo認為，陳浩基「提出了一個獲得這些包裝的相當驚人的簡單的新方法」。他說：「考慮到類似問題的重要性及廣泛存在性，我相信這項工作將對這一領域產生重要影響，同時許多人將從這一令人興奮的新視角重新審視這一問題。」
儘管陳浩基的球體包裝還主要停留在理論階段，但他非常看好這項成果的實際應用前景。微流體研究人員可使用它在毛細管中包裝承載藥物的泡沫，材料科學家可用它來包裝巴基球以形成多層納米管，而製造商們則可使用這一包裝的模板來減少很多球狀商品的運輸費用。另一個潛在應用則是電視和計算機顯示器所用到的液晶顯示器，這是陳浩基之前的研究領域。他說，如果能夠讓液晶分子也遵循這一規則，「我們將有可能創造一種新的液晶」。（來源：科學時報 趙路）