如果一個人慢跑在沙灘上，那麼沙子則像固體支撐著他們的重量；把它放在沙漏中，沙子則又像液體一樣從縫隙流出；如果小孩子跌倒並踢到一堆沙，沙子粒又會互相碰撞交互，就像氣體一樣。
像沙子這樣的顆粒狀物質無處不在。它們構成土壤、沙子和碎石，用於烹飪的穀物和麵粉，以及我們用於藥物的粉末。除了水之外，它們是工業用量最多的材料。然而，我們卻對其如何流動以及與外界互動知道的少之又少。
沙子是固體、液體還是氣體？這是一個困擾科學家幾個世紀的問題。
那麼，沙子到底屬於什麼狀態？ “在我看來，它可以是以上任何一種”， 麻省理工學院機械工程副教授Ken Kamrin說道， “如果我們想更好地理解顆粒介質，我們必須儘可能廣泛地去探索它，並分別做出其在固體、液體、氣體的模型。”
在Karmin的職業生涯開始時，他看到了研究顆粒介質的巨大機會。 他解釋道：“粒狀材料學是少數幾個能夠對許多不同領域產生直接影響的學科。”
作為工程物理學和應用數學的學生，Kamrin慢慢地對連續介質力學產生興趣。Karmin從中得到了用於計算物質在宏觀下變化的主要公式。然而，當Kamrin得知沒有任何一組方程可以用來計算沙流時，他感到震驚。 “這成為我之後研究該方向的動力”， 他回憶道， “我被這個想法所迷住，也許我們可以給出答案。”
粒狀材料從很多角度來看都是複雜的。粒狀材料不但可以存在於主要3種物質狀態之外，還包含較大的且和原子行為不同的粒子。這是在預測宏觀氣體或流體運動時所不存在的問題。粒狀材料也受到壓力的影響。如果你擠壓一把沙子，它的行為與輕握住它時會有很大不同。此外，兩杯看起來相似的沙子，其行為會因其製備過程而有所不同。
雖然已經有了很多關於粒狀材料如何在單方向平面中流動的研究，但如果將這種想法拓展到日常例子中並嘗試去理解，那將非常困難。
Kamrin的靈感來自於一個偶然，一項關於蛋黃醬中乳液流動的研究啟發了他。 “我看著他們提出的用於乳液流動的模型，便想到了這個點子”， Kamrin說， “我認為我可以做一個粒狀物質模型，並用沙子取代蛋黃醬。”
通過修改公式後，Kamrin的結果非常接近，他甚至認為這太過順利了。 “我想我可能已經找到了我迄今為止最重要的結果” ，Kamrin回憶說。
Kamrin 的模型已經可以預測粒狀材料在不同環境中的行為。它甚至可以預測兩個速度差距極大的粒子的行為。該模型還被用來預測其他與顆粒有關的奇怪現象，例如觀察流水閾尺寸的影響。
Kamrin解釋說：“粒狀材料我們隨處可見，然而現在我們有了可以預測它的工具。”
Kamrin和他的團隊開發了可以在任何情況下運行該模型的軟件。這種模型可能會有極大的影響，例如幫助預測滑坡等地質災害，優化工業料斗的設計或通過滑槽控制流量。
“如果你想對顆粒物質做些什麼，我們現在可以用該模型做出強有力的預測”，Kamrin補充道。
最近，Kamrin發現該模型簡化了“粒狀干涉”的情況，這對於理解顆粒物質中的撞擊，挖洞及其運動至關重要。這項研究可以用小規模測試來解釋大規模的事情。這項研究可以幫助汽車行業研究車輪和輪胎面，以更有效地在泥地、沙子和碎石上駕駛。它甚至可以幫助NASA改進火星漫遊車的設計。
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