在首次觀察到的滑坡、雪崩，甚至是由推土機推動的沙堆，看似只是一堆顆粒朝著下方移動。然而，在這表面之下，隱藏著一個旋轉流動的世界，顆粒不僅僅是沿著明顯的路徑向下滑動，還可能側移或環繞運動。這些無形的運動稱為次級流動，長久以來在計算機模擬中被懷疑存在，但在實際材料中卻從未被直接觀察到。現在，科學家們首次利用一種強大的新型 X 射線成像方法捕捉到了這些流動。
這一發現可能會改變我們對雪崩、滑坡的理解，甚至影響我們日常處理像麵粉、小麥或藥物等粉末的方式。研究人員在過去幾十年中一直認為，當顆粒沿著坡道滑下時，大多數顆粒會遵循最陡的路徑向下流動，這被稱為主要流動。然而，理論和計算模型表明，並非所有顆粒都會跟隨這個路徑。部分顆粒會在表面下側移，輕微地改變滑坡的移動距離和速度。這些隱藏的流動雖然被認為存在，但實驗證明幾乎是不可能的。原因在於，停止顆粒進行 X 射線掃描會凍結運動，破壞自然流動。為了使顆粒變得透明而添加液體又會改變它們的行為。
研究人員因此只能依賴表面波紋或模擬的間接證據，從未能夠直接看到流動堆內部的三維運動。為了克服這一問題，研究作者設計了一個傳送帶推土實驗，將三毫米的玻璃珠放入長 0.55 米、寬 0.10 米的槽中。傳送帶將玻璃珠推向一側的牆壁，形成一個堆。為了在不干擾顆粒的情況下觀察內部，他們使用了一種新技術，稱為 X 射線流變成像，這是名為 DynamiX 的新設置的一部分。流變成像通過快速拍攝移動中顆粒堆的 X 射線圖像來運作，隨著顆粒的流動，它們會以變化的光暗模式阻擋 X 射線。
透過追蹤這些模式在每幀之間的移動，科學家們可以計算顆粒在堆內的速度和方向，而無需停止或干擾流動。這一設置拍攝的首批圖像顯示了堆表面上微弱的波紋。先前的研究已經暗示，流動內部的隱藏旋渦可能會導致這些波紋。然而，這是第一次，研究人員能夠將這些波紋與表面下的實際側向運動聯繫起來。
進一步的分析表明，研究人員從 X 射線數據中繪製了表面的圖像，並追蹤了顆粒在堆的全深度中的運動，而不僅僅是沿著主要流動。他們發現了側向和旋轉的運動，這提供了次級流動在顆粒材料中首次直接實驗證據。研究作者指出：「我們提供了一個在顆粒介質中通過動態 X 射線成像確認次級運動的實驗證據，而無需停止運動進行斷層掃描。」
這項研究顯示，次級流動是顆粒材料的基本特徵，無論是在雪堆、沙堆還是小麥筒倉中，這一發現具有重要價值。例如，在自然災害的情況下，忽略次級流動的滑坡或雪崩模型可能會低估碎片能夠移動的距離。將這一細節納入考量，可以幫助工程師設計出更好的預測和安全措施。
這些發現還對其他行業產生了影響，從製藥到農業，無數過程都依賴於顆粒或粉末的移動，因此了解隱藏的側向流動的存在可能改善材料的儲存、混合或運輸方式。然而，這項研究也存在一些限制。研究團隊研究的是在受控的推土設置中的玻璃珠，而不是實際的雪或岩石滑坡。此外，流動的完整三維圖像尚未完成，因為 DynamiX 系統目前僅能測量一個方向的運動。為了克服這些限制，研究人員計劃在未來擴展成像方法並測試更現實的材料。這項研究已發表在《自然通訊》期刊上。
