堵塞 (物理)

阻塞（Jamming）是指一些介观材料的黏度随着粒子密度增加而增加的物理过程，这类材料例如、玻璃、泡沫、聚合物、乳浊液以及其他。堵塞转变被提出为一种新的相變类型，与玻璃转化有相似之处，但与晶体固体的形成有很大不同。

玻璃转变发生于液态被冷却时，而堵塞转变则发生于粒子密度或粒子体积分数增加时。组成粒子的拥挤阻止它们在施加应力下流动并探索相空間，从而使整个材料表现为固体。若体积分数减小，或外加应力超过屈服应力，系统可能解除堵塞。此转变之所以有趣，在于它关于体积分数表现出非線性。

堵塞相图将堵塞转变与逆密度、应力和温度联系起来。

系统发生堵塞的密度由多种因素决定，包括其构件的形状、颗粒的可变形性、颗粒间的摩擦力以及系统的。堵塞流形的总体形状可能依赖于具体系统。例如，堵塞转变的一个特别有趣的特征是吸引性粒子系统与排斥性粒子系统之间的差异。对于足够高的密度或足够低的温度，堵塞面是否会发散仍不确定。

对堵塞系统的模拟研究了导致静态系统及受剪切系统堵塞的粒子构型。在剪應力下，平均簇尺寸可能在有限应变后发散，导致堵塞状态。某一粒子构型可能处于堵塞状态，此时需要施加应力去“破坏”导致堵塞的力链。

静态堵塞系统的最简单实现是随机球形堆积的无摩擦软球，在对堆积施加外部静应力时这些软球被压紧而相互堵塞。正好在堵塞转变处，施加的应力为零且剪切模量也为零，这与刚性丧失和系统解堵塞相一致。同时，在堵塞点系统为等静态（isostatic）。高于堵塞点时，施加的应力通过将软球挤得更紧而增加体积分数，从而在相邻球之间产生额外接触。这导致平均接触数增加。如Corey O'Hern及合作者的数值模拟所示，剪切模量随着增加，遵循规律：，其中为空间维数。由Alessio Zaccone和E. Scossa-Romano发展的一种从第一性原理出发的弹性微观理论从两项贡献上定量解释了该规律：第一项为键合型贡献，因此与成正比，且与粒子位移严格跟随所施加的剪切形变有关；第二项（为负）源于在应变的无序环境中维持局部力学平衡所需的内部弛豫，因此与自由度总数成正比，因而依赖于空间维数。该模型与压缩乳状液相关，其中颗粒间摩擦可忽略。另一个静态堵塞系统的例子是沙堆，沙堆在重力作用下被堵塞且无能量耗散。

消耗能量的系统有时也被描述为处于堵塞状态。例如交通堵塞，在堵塞下道路上车辆的平均速度可能急剧下降。在此类情形中，道路上的车辆可被视作被泵入管道的或非牛頓流體。在某些条件下，有效黏度可能急速增加，从而显著提高颗粒材料或流体的流动阻力，导致速度下降甚至完全停止。在这一类比中，车辆类似于颗粒材料中的颗粒；若车辆足够密集（即沿路间距足够小），车辆之间的相互作用（为避免碰撞所必需）会导致堵塞。描述该行为的简单模型是。

从生物物理角度也可以用堵塞概念来表征细胞运动的停止。细胞运动在许多生物过程中很重要，包括组织形态发生、伤口愈合和癌症侵袭。描述这些“堵塞”和“解堵塞”现象的机制，有助于更细致地理解组织发育并有助于发现疾病治疗的新靶点。确定定义这些细胞相变的性质是近期关注的课题之一。基于细胞密度的堵塞类似于物理学中的粒子堵塞，因为一组细胞的黏度会像一组粒子一样随着细胞密度增加而升高。讨论细胞堵塞的其他关键参数包括细胞形状、细胞-细胞接触和细胞运动，这些参数在胚胎组织构建和哮喘等情形中均有研究。这些因素彼此紧密相关。为说明细胞堵塞机制，Lawson-Keister等人尝试使用三要素：a) 密度，b) 几何不相容性，c) 波动。实验上量化细胞黏弹相的努力包括在体内注射感力的铁磁流体、微吸管抽吸、以及细胞位移的三维数字图像相关分析等方法。

 参考 

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