香港科技大學（科大）工學院研究團隊成功研發了一種革命性的計算框架，深化了科學界對土壤、沙粒和藥物粉末等顆粒材料動力學的理解。此突破性模型能透過綜合分析水、空氣及粒子間的相互物理作用，準確預測山泥傾瀉，改善農業灌溉及石油抽取系統，並有助提升食物和藥物的製造流程。
預測顆粒材料動力的挑戰
固體顆粒材料（如：土壤、沙子，以及製藥和食品生產中使用的粉末）的流動，是支配許多自然環境與工業過程的基本機制。理解這些顆粒與周邊流體（如水、空氣）的互動關係，對預測土壤崩塌或流體滲漏等狀況至關重要。然而，現存模型在捕捉這些相互作用，尤其是當這些物質處於「不完全飽和狀態」，因而牽涉到毛細吸力、黏滯力等複雜的計算因素在內時，要精準預測這些狀況極為困難。
PUA-DEM革新顆粒模型範式
為應對這些挑戰，科大土木及環境工程學系的趙吉東教授及其團隊研發了「孔隙單元體 – 離散元模型」（簡稱PUA-DEM模型）。有別於傳統模型多採用過度簡化的單向流固耦合分析（如僅考慮流體對固體的單向影響等），PUA-DEM模型能綜合計算顆粒、空氣和水之間的物理交互動態，透過多向耦合分析，精準捕捉固體及流體的移動，並能準確模擬顆粒在不同飽和狀態 (從完全濕透至完全乾燥的情況)下，壓力釋放程度的變化。
基於基礎物理原理，這首創模型能精準預測流體和固體在交互作用下各種複雜狀況，在岩土工程、環境科學與工業製造等領域，均有巨大的應用潛力。
顆粒模型應用廣泛
研究團隊正尋求與政府及業界合作，期望應用此技術以助解決現實生活的不同挑戰。當中包括開發山泥傾瀉早期預警系統； 透過模擬根土保水能力的交互作用以完善灑水灌溉策略；以及透過多方流體預測系統以協助改進現時石油採集以及碳封存工序的效率等。除此以外，新技術亦有望革新藥物製造，透過更精準控制粉末的加工程序，使藥物生產更安全和更高效，並有助確保藥物劑量的一致性，從而提升療效及改善病人預後。在食品製造方面，新技術可望革新咖啡、糖，以及嬰兒配方奶粉等顆粒生產工序，改善其質地、溶解度以及保存穩定性等，亦有效減少耗能與浪費。
趙教授解釋：「PUA-DEM為非飽和顆粒體系數值建模帶來了範式轉變。通過解析孔隙尺度的流固相互作用，我們現在能預測微觀過程如何控制宏觀顆粒材料行為，例如毛細管形成和顆粒膨脹怎樣影響土壤崩塌或儲層流體滲漏，這項研究為多方應用開闢了新道路，將有助於設計安全性高的基建、提升農耕技術、改進精密製藥流程，以及助力應對各種與能源相關工程的挑戰。」
深化研究 繼往開來
展望未來，論文的第一作者、科大博士畢業生Amiya Prakash DAS博士表示，團隊將繼續研究並擴展PUA-DEM的功能。他表示：「我們下一階段的目標，是納入不規則顆粒形狀和浸潤效應，將實驗室研究的成果落地。日後，我們還將探索混合計算策略，以模擬顆粒材料中的反應性流體運輸和乾燥開裂現象。」
本研究由上述兩位科大學者與荷蘭烏特勒支大學的Thomas SWEIJEN博士合作完成，成果以「三相顆粒介質的微觀力學模擬」為題發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）。
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