顆粒狀物質的流動，如用於化學反應器的沙子和催化顆粒，使從泥石流到火山等一系列自然現象，以及從製藥生產到碳捕獲等一系列廣泛的工業過程成為可能。雖然顆粒物質的運動和混合常常表現出與液體驚人的相似之處，例如在移動的沙丘、雪崩和流沙中，顆粒流動的物理基礎並不像液體流動那樣被很好地理解，看似違反物理定律，其實並沒有，只是有更深層的奧秘。現在，哥倫比亞大學工程學化學工程助理教授克裡斯博伊斯的一項發現，解釋了不同密度顆粒的引力不穩定性的一個新家族，這些顆粒是由一種在流體中看不到的氣體通道機制驅動。
在蘇黎世聯邦理工學院能源與工程科學教授Christoph Muller團隊的合作下，Boyce團隊觀察到了一個意想不到的Rayleigh-Taylor (R-T)不穩定性，在這種不穩定性中，較輕的顆粒通過較重的顆粒以「手指」和「顆粒氣泡」的形式上升。R-T不穩定性是由兩種不同密度的流體相互作用而產生，這兩種流體不能混合，例如油和水，因為較輕流體會把較重的流體推開，在兩種乾燥的顆粒材料之間沒有發現這種不穩定性。2019年4月22日發表在《美國國家科學院院刊》上的這項研究首次證明：
較輕的沙(藍色)在較重的沙(白色)中形成「氣泡」的發展，圖片：Alex Penn/ETH Zurich當兩種類型的沙子受到垂直振動和向上氣流的影響時，較輕沙子會形成「氣泡」，並在較重的沙子中上升，類似於熔巖燈中形成和上升的氣泡。研究小組發現，就像空氣和石油泡沫在水中上升一樣，因為它們比水輕，不想與水混合，即使兩種類型的沙子喜歡混合，輕沙泡沫也會在較重的沙子中上升。博伊斯說：我們認為發現是革命性的，發現了一種顆粒狀的模擬物，類似於最後一種主要的流體力學不穩定性。雖然近幾十年來在粒狀流中發現了其他主要不穩定性的類似物，但R-T不穩定性一直沒有得到直接的比較。發
現不僅可以解釋礦床下的地質構造和過程，還可以用於能源、建築和製藥行業的粉末加工技術。研究小組利用實驗和計算模型表明，氣體通過較輕的粒子通道會觸發手指和氣泡圖案的形成。氣體竄流的發生是因為較輕、較大顆粒團簇比較重、較小的顆粒團簇對氣體流動具有更高的滲透性。顆粒狀材料中的r - t類不穩定性是由氣竄局部增大向上阻力和向下接觸力之間的競爭引起，這是一種與液體中發現的完全不同物理機制。發現這種氣體通道機制還會產生其他引力不穩定性，包括下降粒狀液滴的級聯分支。
還證明了r - t類失穩可以在多種氣體流動和振動條件下發生，在不同的激勵條件下形成不同的結構。這些不穩定性可以應用於各種系統，為顆粒動力學提供了新的解釋，並為在顆粒混合物中形成新產品提供了新機會。發現對地質科學的潛在影響尤其興奮——這些不穩定性可以幫助我們了解地球歷史上的結構是如何形成，並預測未來其他結構可能如何形成。博伊斯現在正在研究砂粒中其他類似液體和結構的現象，並對它們的行為進行量化。他還與地質學家和火山學家進行了交談，以進一步探討這一過程以及類似過程是如何在自然界中發生的。
博科園-科學科普｜研究/來自: 布朗大學參考期刊文獻:《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.157002博科園-傳遞宇宙科學之美
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