一粒砂子长什么样？或者，抓起一把干松的土，揉成碎末，一颗碎末土长什么样？你会说，我拿放大镜看过，长得各种各样。
这句等于什么也没说的话，其实包含着丰富的科学道理和科学疑问。日前，中国科学院武汉岩土力学研究所的团队就做了这样一个“玩泥巴玩砂子”的研究现状总结：《土的颗粒形貌研究现状及展望》，发表在权威的《岩土力学》杂志上，揭开了一个有趣的研究领域。
最细小的砂子也罢，土也好，长什么样？有个科学术语叫“颗粒形貌”，世界上没有两片相同的树叶，也不会有两粒相同形貌的砂土颗粒，所以“颗粒形貌”是一粒砂土的“指纹”，看到它就能知道它的形成历史，包含了其形成过程中怎样的机械及化学作用。
扫描电镜下的颗粒 梅志能等人，2018
你会说，研究这干嘛？又不为石头选美。但科学有时候就这么“看脸”，因为大自然有个脾气：颜值即特性，形貌即行为。一粒砂土长什么样，决定了它的力学性质和行为特征，也决定了它的“集合体”会是什么样。一粒砂土虽小，弄清楚了它的样貌，就知道它能在哪里发挥出最大的作用。
就拿长江流域的冲击砂为例，不同流域砂的颗粒形貌可以帮助我们了解这些砂的形成历史。这些砂来自于哪里、如何形成，甚至多久以前形成，通过这些推断，可以帮助防范和治理长江流域的地质灾害。
再比如，我国在南海造岛，不可能大规模用到陆地常用的地基材料石英砂，只能就地取材选择海洋中的珊瑚砂。作为新型地基材料的珊瑚砂最大的一个特点就是形貌不规则，不规则的形貌会对建筑的承载能力有怎样的影响？这样的形貌研究直接关系着工程质量。
研究砂土颗粒形貌可不是拿着放大镜、显微镜看看样子拍照留念就完了，还必须量化，就是用一些参数去描述它，并找到它的形貌关系的数学函数。中国科学院武汉岩土所马成昊博士和朱长歧研究员是这项研究团队的主要成员，他们梳理了国内外各种用以描述砂土颗粒形貌的参数。参数有二十多个，既有我们熟悉的长、宽、厚、周长、面积等，也有我们不大熟悉的外接凸面积、凹凸度、简化延长指数等等。看了这些梳理，才知道国内外对于颗粒形貌的研究如何丰富多彩，殊途同归。如此大费周章，引入这些参数，就是力求越来越精密、精准地描述和认知一粒砂土颗粒的形貌里所包含的丰富信息和意义。
科研人员利用观测数据和数学重构，就能在电脑上对砂土颗粒的性质进行模拟，发现我们之前很多忽略的现象。比如，颗粒形貌与颗粒大小关系密切，粒径越大，颗粒形貌差异越明显；颗粒形貌影响颗粒间的孔隙形状、孔隙结构，随着颗粒不规则程度的增大，最大最小孔隙比都会增大。也就是说，砂土世界里，个头越大的长得越不像，关系越不紧密。再比如，形状越不规则、棱角度越大、表面越粗糙的颗粒之间，咬合力就越大，接触点就越少，把它们掰断、剪断的难度就越大；越规则的颗粒，强度越大，抗压能力越强。也就是说，颗粒世界里，长得越规则，对称的越硬气，长得越“歪瓜裂枣”的越黏糊。有了这些发现，只要有砂有土有石、用到砂土石的地方，都会刷新我们的认知，我们就能更准确地定位。就像农业上，有的土颗粒大，空隙多，疏水性好，适合种土豆，有的土颗粒小，粘性大，亲水性好，适合种水稻；建筑业上，有的砂子长宽比大，像棒子，适合用作地基；有的砂子圆润方正，适合用作外墙……所以，砂土颗粒形貌的研究实际上还铺就了一条为国计民生、生产生活添砖加瓦、加油助力的应用之路。锄禾日当午，汗滴禾下土，如果我们对于脚下的土地了解得更精微一些，无论是春种秋收还是垒墙建楼，一粒小砂土也能发挥大作用。
电脑模拟的砂土颗粒形貌 Ma等人，2017
中国科学院武汉岩土力学研究所团队一篇回顾“土的颗粒形貌”研究现状的课题，让我们看到，这样一些砂土颗粒形貌的研究里，包含着奇思妙想，也包含着脑洞大开，这对于我们这样一个工业大国、农业大国，都是需要的。这些有趣的研究也告诉我们，即使生活中常见、易忽略的简单现象，其实也包含着深刻的科学，甚至越简单道理越深刻，越简单作用越重大。
（文中图片皆来自论文《土的颗粒形貌研究现状及展望》，该研究工作获得中科院战略性先导科技专项（A类）（No.XDA13010203）；自然科学基金面上项目（No.41877271, No.41572304）；湖北省自然科学基金（No.2020CFB243）等的资助。）
（长江日报记者周劼）
