顆粒物質(zhì)是以離散態(tài)形式存在的物質(zhì)形態(tài)，是一種復(fù)雜體系，其運(yùn)動規(guī)律與一般固體和液體很不相同，近年來引起物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。對于一個大小顆粒混合的系統(tǒng)，當(dāng)受到外界擾動(如振動，搖動等)時，會發(fā)生大小顆粒的分離，一般是大顆粒運(yùn)動到上層，小顆粒運(yùn)動到下層，這就是所謂的“巴西果效應(yīng)”(Brazil nut effect)。這在自然界和生產(chǎn)中普遍存在，是一個人們所熟知的現(xiàn)象。但是長久以來人們對其形成機(jī)理并不十分清楚。美國的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，垂直振動也會導(dǎo)致大顆粒運(yùn)動到下層，小顆粒運(yùn)動到上層，產(chǎn)生所謂“反巴西果效應(yīng)”。對這一新現(xiàn)象，美國芝加哥大學(xué)的研究小組在《Nature》上發(fā)表了不同的研究結(jié)果。他們未觀察到“反巴西果”現(xiàn)象，但是隨氣壓的變化，導(dǎo)致了大顆粒上升的速度發(fā)生改變。

    中科院物理所陸坤權(quán)研究員的小組，通過不同密度大球在不同尺寸顆粒床中振動的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了大球上升和下降的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)當(dāng)大球和顆粒密度比大于某臨界值時，則大球上升(巴西果效應(yīng))，且上升速度隨密度比增大呈冪次方變快。而當(dāng)密度比小于此臨界值時，則大球下降(反巴西果效應(yīng))，下降速度隨密度比減小呈冪次方變快。更重要的是，發(fā)現(xiàn)氣體在“反巴西果”的形成中起關(guān)鍵作用。在振動狀態(tài)下形成“反巴西果”的顆粒床中，測量得負(fù)的氣壓，正是這個負(fù)壓驅(qū)動了密度小的大顆粒向下運(yùn)動，形成了“反巴西果”現(xiàn)象。在相同條件下，抽空的系統(tǒng)中則觀察不到“反巴西果”現(xiàn)象。而在一定振動頻率和加速度下是否產(chǎn)生負(fù)壓又與床顆粒的大小及密度有關(guān)。

    這項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目及國家自然科學(xué)基金的資助。研究成果發(fā)表于2003年7月4日的Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 014302。