一粒砂子長什麼樣？或者，抓起一把幹松的土，揉成碎末，一顆碎末土長什麼樣？你會說，我拿放大鏡看過，長得各種各樣。

這句等于什麼也沒說的話，其實包含着豐富的科學道理和科學疑問。日前，中國科學院武漢岩土力學研究所的團隊就做了這樣一個“玩泥巴玩砂子”的研究現狀總結：《土的顆粒形貌研究現狀及展望》，發表在權威的《岩土力學》雜志上，揭開了一個有趣的研究領域。

最細小的砂子也罷，土也好，長什麼樣？有個科學術語叫“顆粒形貌”，世界上沒有兩片相同的樹葉，也不會有兩粒相同形貌的砂土顆粒，所以“顆粒形貌”是一粒砂土的“指紋”，看到它就能知道它的形成曆史，包含了其形成過程中怎樣的機械及化學作用。

掃描電鏡下的顆粒 梅志能等人，2018

你會說，研究這幹嘛？又不為石頭選美。但科學有時候就這麼“看臉”，因為大自然有個脾氣：顔值即特性，形貌即行為。一粒砂土長什麼樣，決定了它的力學性質和行為特征，也決定了它的“集合體”會是什麼樣。一粒砂土雖小，弄清楚了它的樣貌，就知道它能在哪裡發揮出最大的作用。

就拿長江流域的沖擊砂為例，不同流域砂的顆粒形貌可以幫助我們了解這些砂的形成曆史。這些砂來自于哪裡、如何形成，甚至多久以前形成，通過這些推斷，可以幫助防範和治理長江流域的地質災害。

再比如，我國在南海造島，不可能大規模用到陸地常用的地基材料石英砂，隻能就地取材選擇海洋中的珊瑚砂。作為新型地基材料的珊瑚砂最大的一個特點就是形貌不規則，不規則的形貌會對建築的承載能力有怎樣的影響？這樣的形貌研究直接關系着工程質量。

研究砂土顆粒形貌可不是拿着放大鏡、顯微鏡看看樣子拍照留念就完了，還必須量化，就是用一些參數去描述它，并找到它的形貌關系的數學函數。中國科學院武漢岩土所馬成昊博士和朱長歧研究員是這項研究團隊的主要成員，他們梳理了國内外各種用以描述砂土顆粒形貌的參數。參數有二十多個，既有我們熟悉的長、寬、厚、周長、面積等，也有我們不大熟悉的外接凸面積、凹凸度、簡化延長指數等等。看了這些梳理，才知道國内外對于顆粒形貌的研究如何豐富多彩，殊途同歸。如此大費周章，引入這些參數，就是力求越來越精密、精準地描述和認知一粒砂土顆粒的形貌裡所包含的豐富信息和意義。

科研人員利用觀測數據和數學重構，就能在電腦上對砂土顆粒的性質進行模拟，發現我們之前很多忽略的現象。比如，顆粒形貌與顆粒大小關系密切，粒徑越大，顆粒形貌差異越明顯；顆粒形貌影響顆粒間的孔隙形狀、孔隙結構，随着顆粒不規則程度的增大，最大最小孔隙比都會增大。也就是說，砂土世界裡，個頭越大的長得越不像，關系越不緊密。再比如，形狀越不規則、棱角度越大、表面越粗糙的顆粒之間，咬合力就越大，接觸點就越少，把它們掰斷、剪斷的難度就越大；越規則的顆粒，強度越大，抗壓能力越強。也就是說，顆粒世界裡，長得越規則，對稱的越硬氣，長得越“歪瓜裂棗”的越黏糊。有了這些發現，隻要有砂有土有石、用到砂土石的地方，都會刷新我們的認知，我們就能更準确地定位。就像農業上，有的土顆粒大，空隙多，疏水性好，适合種土豆，有的土顆粒小，粘性大，親水性好，适合種水稻；建築業上，有的砂子長寬比大，像棒子，适合用作地基；有的砂子圓潤方正，适合用作外牆……所以，砂土顆粒形貌的研究實際上還鋪就了一條為國計民生、生産生活添磚加瓦、加油助力的應用之路。鋤禾日當午，汗滴禾下土，如果我們對于腳下的土地了解得更精微一些，無論是春種秋收還是壘牆建樓，一粒小砂土也能發揮大作用。

電腦模拟的砂土顆粒形貌 Ma等人，2017

中國科學院武漢岩土力學研究所團隊一篇回顧“土的顆粒形貌”研究現狀的課題，讓我們看到，這樣一些砂土顆粒形貌的研究裡，包含着奇思妙想，也包含着腦洞大開，這對于我們這樣一個工業大國、農業大國，都是需要的。這些有趣的研究也告訴我們，即使生活中常見、易忽略的簡單現象，其實也包含着深刻的科學，甚至越簡單道理越深刻，越簡單作用越重大。

（文中圖片皆來自論文《土的顆粒形貌研究現狀及展望》，該研究工作獲得中科院戰略性先導科技專項（A類）（No.XDA13010203）；自然科學基金面上項目（No.41877271, No.41572304）；湖北省自然科學基金（No.2020CFB243）等的資助。）

（長江日報記者周劼）

【編輯：付豪】

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