理论物理所-上海交大在《Physics Reports 》发表剪切阻塞相变综述
在日常生活中，我们经常被下水道堵塞所困扰。在石油和天然气行业，每年由于输油管堵塞造成的经济损失超过2.5亿美元 。这些现象都与物理学中的阻塞相变（jamming transition）密切相关。阻塞相变是指软物质体系（包括颗粒材料、泡沫、胶体悬浮液、乳液、聚合物和细胞等）从流体到固态的转变过程（图1）。理解阻塞相变是非平衡统计物理和非晶固体物理中的一个重要问题，近年来受到物理学家的广泛关注。阻塞相变的研究在多个交叉领域都有重要价值，例如建模地质灾害、理解复杂流体的流变性质、设计新型软物质材料等。
图1 （左）光弹颗粒材料的阻塞态（实验）。（右）硬球颗粒阻塞态（计算机模拟）。
通常情况下，如果颗粒体系受到外力的挤压，那么由于体积的减小会自然地导致阻塞相变。十多年前，物理学家在颗粒物质的实验中发现，即使在保持体积不变的情况下，通过施加剪切外力也有可能导致体系发生阻塞相变 [1]。这种现象突破了物理学家对阻塞相变的传统认知。随后，为了理解剪切阻塞相变的机制，出现了大量的研究工作。
近日，《Physics Reports 》杂志刊登了剪切阻塞相变的首篇综述文章——“A review on shear jamming”[2]。文章的第一作者为理论物理所潘登助理研究员，通讯作者为理论物理所金瑜亮研究员，合著者包括大阪大学Hajime Yoshino（吉野元）教授、上海交通大学的张洁教授和东京大学博士后汪银桥。
这篇综述系统地总结了近年来剪切阻塞相变的实验、理论与模拟研究进展。结合已有研究成果，作者提出了两张阻塞相图：剪切形变-密度相图和应力-密度相图，这为描述和理解不同体系（包括胶体、有摩擦的颗粒物质、无摩擦硬球等）的阻塞相变提供了统一的框架。文章还总结了剪切相变的普适标度率、阻塞相（非晶固体）的弹性理论、并讨论了剪切阻塞相变与剪切膨胀和剪切硬化等流变现象之间的内在联系。
该工作得到了国家基金委、中国科学院、温州研究院等经费支持。
原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0370157323003149
参考文献：
[1] D. Bi, J. Zhang, B. Chakraborty, R.P. Behringer, Jamming by shear, Nature 480 (7377) (2011) 355.
[2] D. Pan, Y. Wang, H. Yoshino, J. Zhang, and Y. Jin, A review on shear jamming, Physics Reports 1038, 1-18 (2023).