Friction-controlled reentrant aging and fluidization in granular materials

流态化 粒状材料 材料科学 准静态过程 亚稳态 非平衡态热力学 接触动力学 磁滞 放松(心理学) 可塑性 颗粒物质 干扰 机械 相图 离散元法 膨胀的 凝聚态物理 脆弱性 压实 粒子(生态学) 可重入 热涨落 热的 玻璃化转变 流量(数学) 振幅 弹性模量 应力松弛 热力学 振动 剪切(地质) 代表性基本卷 经典力学
作者
Ye Yuan,Walter Kob,Hajime Tanaka
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (5): e2528600123-e2528600123
标识
DOI:10.1073/pnas.2528600123
摘要

Granular materials densify under repeated mechanical perturbations, nonequilibrium dynamics that underlies many natural and industrial processes. Because granular relaxation is governed by frictional contacts and energy dissipation, this aging behavior fundamentally differs from that of thermal glasses despite their apparent similarities. Here, we uncover how friction controls the compaction dynamics of granular packings subjected to quasistatic cyclic shear. Using discrete element simulations, we construct a dynamic state diagram as a function of strain amplitude and friction, revealing a rich interplay among jamming marginality, stabilization, and fluidization. We identify a friction-dependent crossover strain that separates aging and fluidized regimes, showing reentrant, nonmonotonic behavior: Increasing friction first suppresses fluidization but then promotes it through smooth, creep-like rearrangements. This transition is marked by a shift from intermittent, avalanche-like rearrangements to continuous, diffusive motion. Our findings demonstrate that friction exerts a dual role in granular aging-both stabilizing and fluidizing-thereby uncovering the fundamental nonequilibrium mechanisms that govern compaction, rheology, and aging in athermal disordered systems. More broadly, our results reveal a general principle for how friction governs metastability and flow in athermal matter-from granular and frictional colloids to soils and seismic faults-linking microscopic contact mechanics to macroscopic dynamics.
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