软物质理论的研究现状与未来方向(5)

　　3.4 颗粒体系
　　
　　颗粒体系理论模型的建立是首要的学科前沿问题之一。 Edwards 和 Oakeshott[96]建立的体积系综的概念适用于很多颗粒体系， 得到了自洽的结果。 而离散单元法和相应的计算微观力学的研究逐步成为颗粒物质和材料研究的一个重要分支。 剪切转变区域 （STZ） 理论[97]是历经 10 余年发展而成的一套描述无序固体的塑性形变的理论模型。 GSH（granular solid hydrodynamics） 引入的弹性弛豫机理和黏滞耗散对宏观率相关行为的影响，尤其是当颗粒物质接近临界状态时需要深入研究。此外将GSH和TTS（tsinghua thermodynamic soil-model）扩展为多相颗粒材料的普适理论， 也具有重要的科学意义和工程价值。
　　
　　颗粒体系由于其宏观的粒子尺度以及摩擦、非弹性碰撞等耗散的相互作用， 体系很容易失去热平衡， 并且具有很多特殊而复杂的力学及动力学性质。 尤其是在较高的堆积密度下， 颗粒体系会发生阻塞相变， 形成无序固体。 这种阻塞相变现象与分子原子体系的玻璃化转变现象有着很大的相似性以及深刻的类比， 其深入研究也是学科前沿问题。
　　
　　颗粒物质具有力链和拱桥结构等特殊力学和结构特性， 相关研究还比较匮乏， 这也妨碍了颗粒物质的基本物理框架的建立和核心物理问题的提取。 利用 X 射线成像技术和利用颗粒光弹实验对颗粒体系动力学和结构进行研究， 可以验证颗粒体系是否可以类似于普通的无序固体的 “结构决定特性”的研究范式。
　　
　　基于连续物理与力学研究范式的研究应该说是不完善的， 目前具有预测功能的颗粒物质的本构方程非常缺乏， 考虑颗粒物质真实微观结构对其宏观物理力学性质的定性和定量影响是一项长期而艰巨的任务， 也是未来学科的发展方向。 值得注意的是， 当今物理探测手段和数值模拟方法高度发展， 比如大规模数字高程模型、颗粒光弹实验、微纳米电子计算机断层扫描技术、高精度光学电子显微镜以及磁共振成像等， 我们将可以探测小到百分之一微米的微观颗粒以及其结构， 因而颗粒物质物理和力学的研究人员可以深入考虑如何将复杂的颗粒物质宏观行为与其微观结构联系起来。 我们期待通过物理和力学研究人员的通力合作， 进一步完善现有的颗粒物质宏观理论模型， 实现颗粒物质物理与力学从微观到宏观的跨越。
　　
　　3.5 软物质体系的静电相互作用
　　
　　关于软物质体系的静电相互作用， 在解析理论方面， 有下列重要问题值得深入研究： 1） 静电关联效应、特别是电荷重整化的一般理论是一个非常重要的问题， 对研究电解液中的带电表面的统计物理有重要的意义[98]; 2） 电解液中带电表面的电荷反转、同电吸引的物理机理仍然没有得到彻底的解决，实验显示[69]可能有多种机理同时起作用， 但是尚无被普遍接受的理论框架； 3） 特殊离子效应的一般统计物理理论尚未建立[96]. 在数值方法研究方面，有下面两大类问题： 1） 大规模库仑多体系统的数值模拟方法研究， 如 GPU 方法、快速多极算法[71]等； 2） 小规模、多尺度蒙特卡罗和分子动力学方法的研究[98].