东京都立大学的科学家一直在研究由粘性和非粘性颗粒混合物制成的沙柱的强度和韧性。他们揭示了当颗粒以不同比例混合时强度如何变化的机制，以及混合物如何帮助保持柱体更具有变形弹性。非粘性颗粒还可以轻松地用其他材料替代，从而能够设计出更坚固、更坚韧的功能性材料。

混合砂柱阐明了更好材料的设计

颗粒物质由大量小颗粒组成，例如沙子和粉末。这些颗粒可以相互粘附，产生混凝土等坚固的材料。但实力并不是一切。坚固的材料可能很脆，变形时很容易破裂。以科学为驱动的材料设计不仅更强而且更坚韧，仍然是材料科学家面临的挑战。

由栗田丽教授领导的东京都立大学团队一直在研究沙柱的力学特性，这是一种简单而强大的颗粒物质模型。他们没有把注意力集中在所有相互粘在一起的颗粒上，而是一直在研究非粘性普通沙和“动力”沙的混合物，以及可以相互粘在一起的涂有硅油的颗粒。该研究发表在《通讯物理学》杂志上。

虽然“有吸引力的颗粒”的机制相对较好地被理解，但对于仅具有粘性的颗粒子集的材料来说却不能这样说。

当他们用不同比例的粘性颗粒制作柱子时，他们发现柱子的强度(以它们在负载下变形的程度为特征)表现出特征性的阶梯式变化。

当粘沙的比例达到60%时，强度突然跃升至更高的值。更多的粘砂不会导致任何进一步的增加。

通过对类似设置的计算机模拟，他们发现这正是粘性颗粒形成延伸到样品中的刚性网络的时候。这需要与简单地通过样品连接的粘性颗粒区分开来;例如，当两端被推在一起时，粘性颗粒线很容易变形。只有当颗粒之间有足够的连接时，粘性颗粒才能支撑重量。

然而，与典型的坚固材料不同，这些部分粘性的柱在承受较大负载时表现出独特的行为。当柱变形时，柱不会开裂;相反，它们改变了形状：粘性颗粒之间的连接不仅仅被破坏，而且能够重新排列和重组。这使得立柱不仅坚固，而且坚韧。

研究小组指出，由于超过60%的粘性颗粒不会改变强度，因此其余40%的颗粒可以轻松地与任何其他材料(例如具有抗菌特性的材料)进行切换。这种反直觉的设计特征为复合材料铺平了道路，复合材料不仅更坚固、更坚韧，而且还具有功能性。