Optimizing packing fraction in granular media composed of overlapping spheres

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作者
Leah K. Roth,Heinrich M. Jaeger
出处
期刊:Soft Matter [Royal Society of Chemistry]
卷期号:12 (4): 1107-1115 被引量:39
标识
DOI:10.1039/c5sm02335a
摘要

What particle shape will generate the highest packing fraction when randomly poured into a container? In order to explore and navigate the enormous search space efficiently, we pair molecular dynamics simulations with artificial evolution. Arbitrary particle shape is represented by a set of overlapping spheres of varying diameter, enabling us to approximate smooth surfaces with a resolution proportional to the number of spheres included. We discover a family of planar triangular particles, whose packing fraction of ϕ ∼ 0.73 is among the highest experimental results for disordered packings of frictionless particles. We investigate how ϕ depends on the arrangement of spheres comprising an individual particle and on the smoothness of the surface. We validate the simulations with experiments using 3D-printed copies of the simplest member of the family, a planar particle consisting of three overlapping spheres with identical radius. Direct experimental comparison with 3D-printed aspherical ellipsoids demonstrates that the triangular particles pack exceedingly well not only in the limit of large system size but also when confined to small containers.

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