採訪撰文：黃品維、電影的沙簡克志
美術設計：蔡宛潔
顆粒體如何流動？
流沙、沙丘說這土石流、流體流來穀倉的還固米……這些顆粒體，究竟是體對如何流動的？過去，科學界對於「顆粒流」的顆粒研究起步非常晚，也一直缺乏統整型的分法非常理論。中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所蔡日強副研究員，尷尬他長年研究顆粒體的電影的沙運動行為，實驗室透過自創的沙丘說這顆粒軟球實驗，試圖找到全新的流體流來方法來描述顆粒流，並為固體與流體兩個歷史悠久的還固學術領域，搭建出一個溝通的體對橋梁。
從流沙到洗米：隨處可見的顆粒「顆粒體」
「顆粒體的流動」（Granular flows）聽起來或許有點生硬，但它其實是分法非常我們生活中常見的現象，像是在廚房裡洗米、攪拌咖啡豆、或是在工地攪動砂石，都是顆粒流的一種。而如果以人類文明的發展來說，從古時候建造金字塔、到現在火星探測器的著陸，也都有顆粒流的現象參與其中。
然而，即使顆粒流與我們息息相關，科學家對它的了解卻少之有少。究竟，顆粒體是怎麼流動的？有沒有一個方程式，可以描述顆粒流的行為？中研院物理所的蔡日強副研究員，長年進行顆粒體相關研究，這一次，他希望透過全新的實驗，解開顆粒體的流動之謎。
萌芽階段的顆粒流研究
不管是固態力學或是流體力學領域，都是「百年老店」，已經累積了上百年的歷史。相較之下，顆粒流的研究非常年輕，僅僅是最近幾十年的事情而已。造成這樣的原因，除了顆粒流本身的複雜性之外，也是因為它的定位，一直處於「三不管地帶」。
顆粒流很特別，它像固體一樣，能夠堆疊、擠壓，可是又會有流動的行為，若只用固體或流體的角度切入，都很難完整描述這樣的現象。然而在學術圈，固體和流體兩大流派，經過上百年的發展，都有各自根深柢固的作法、解讀現象的方式，彼此之間存在著很大的鴻溝。
「在學術界，Solid（固體）的人講Solid的語言，Fluid（流體）的人講Fluid的語言，兩邊的溝通其實非常少！」蔡日強笑著說「我以前參加過一個應用力學大會，大會裡的會議名稱，直接分成兩種開頭，一種是S、另一種是F，擺明了他們討論事情的角度，不是固體就是流體。」
對顆粒流來說，這樣的二分法顯得非常尷尬。蔡日強認為，如果可以從固體與流體領域，各自吸取一些精髓，或許能夠連接兩個學派，用不一樣的角度研究顆粒流。
如何研究「顆粒體的流動」？
為了瞭解顆粒體如何流動，蔡日強設計了一套獨特的實驗方法，可以分為「顆粒體」與「容器」兩個部分。
在「顆粒體」方面，蔡日強採用醫用材料（PDMS），製作出許多顆粒軟球，硬度接近橡皮擦、大小約一公分。為什麼會採用「軟」球來代表顆粒體呢？
過去，在物理學家的理論中，常常會把顆粒體視為「剛體」。然而，剛體的假設在理論上不僅無法呈現顆粒體被壓縮的情況；而且實驗上，也很容易遇到麻煩。
如果採用剛硬的顆粒體做實驗，在緊密排列時，很容易「卡死」，不只完全動不了，也很可能讓珍貴儀器損壞。為了讓顆粒體可以緊密排列，又不會完全卡死讓儀器動不了，可以擠壓、變形的顆粒軟球，就成為了最好的實驗材質。
下面影片為實驗室展示用，實際操作時液體會淹沒顆粒軟球，保持液體折射率和軟球一致，以便用光學攝影機記錄內部軟球的運動情況（註1）。
圖片來源：研之有物 至於在「容器」方面，蔡日強在裡面設計了齒輪狀的錐形圓盤：上方的錐形圓盤連接馬達，可以不斷旋轉；齒輪狀可以咬住顆粒軟球，帶動容器內的顆粒軟球一起轉動。
設計成錐形的用意，則是可以讓容器內的顆粒體，不論在什麼位置，切變率（shear rate）都可以維持一致。簡單來說，錐形圓盤試圖讓讓整體流動盡可能「均勻」，讓相鄰顆粒之間的速度不至於落差太大（註2）。
圖片來源：研之有物 每一次的實驗，錐形圓盤都會進行定速轉動（固定角速度，Ω），施以所有顆粒軟球固定的切變率。同時，研究團隊也會記錄，在馬達固定轉速時，系統需要多大的轉矩來對抗馬達。但初步實驗即出現了非常匪夷所思的現象。
匪夷所思的實驗結果
圖片來源：研之有物（資料來源│蔡日強） 從上圖的實驗數據顯示，在低轉速時（Ω = 0.0001 rps），系統產生的轉矩最高；在高轉速時（Ω = 0.05 rps），產生的轉矩反而偏低。
這是什麼意思呢？你可以想像你在攪拌一碗綠豆，當你攪得越慢，遇到的抵抗卻越大；攪得越快，遇到的抵抗反而越小，聽起來是不是有點不合常理？
更奇怪的是，在兩種轉速之間，也就是中等轉速（Ω = 0.005 rps）的時候，轉矩出現了不規則劇烈起伏。從圖中的藍線可以看到，轉矩一次又一次的爬升、跌落、再爬升、再跌落，就像小型地震一樣，出現了大規模的「集體崩落」。
從鏡頭中看崩落現象
團隊在實驗時同步攝影，儀器每轉一定的角度（比如：每萬分之一圈），就將顆粒流的剖面擷取成影像。
下面影片為實驗時容器內部剖面的圓球運動情況，顆粒軟球有加螢光染料顯影。
接著，將相片中每一格像素轉為對應數值，分別與上一時刻的照片相減，來得出顆粒體與上一時刻間的「差分影像」。
下為差分影像（State α）：高轉速，承受轉矩小。其中：紅色表示顆粒由此側離開，藍色表示顆粒向此側接近。
下為差分影像（State T）：中轉速，轉矩劇烈起伏，有集體崩落現象。其中：紅色表示顆粒由此側離開，藍色表示顆粒向此側接近。
下為差分影像（State β）：低轉速，承受轉矩大。其中：紅色表示顆粒由此側離開，藍色表示顆粒向此側接近。