中国科大在非晶固体稳定性研究中取得新进展

2023-08-26 18:15:56 来源：中国科学技术大学收藏

(资料图片)

中国科大物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心徐宁教授研究组与美国宾夕法尼亚大学Andrea J. Liu教授和芝加哥大学Sidney R. Nagel教授合作，在非晶固体稳定性机理研究中取得重要进展，相关成果于8月16日在线发表于《美国科学院院刊》。

固体在足够大的外力加载情况下会由于力学失稳而发生断裂等现象。晶体的失稳往往是由缺陷触发的，然而，非晶固体结构无序、处处是缺陷，理解非晶固体的力学失稳机理，尤其是准确预言非晶固体发生结构破坏、重排的区域位置是非常困难的问题。非晶固体稳定性机理的研究对于非晶材料特性的理解和调控以及地震、泥石流、雪崩等自然灾害的预测和防控都有非常重要的意义，因此是非晶固体基础物理研究的一项重要内容。

徐宁教授与Andrea J. Liu教授、Sidney R. Nagel教授合作，近年来开展了非晶固体稳定性机理及应用的研究，他们发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters, 2017, 119: 215502）的工作用折叠不稳定（fold instability）理论给出了非晶固体在外力加载下失稳的一般性图像，并且预言了力学失稳会使得非晶固体本征振动模的态密度与其频率的三次方成正比。然而，他们也发现了一类不能用折叠不稳定理论解释的怪异失稳模式，该模式在具有纯排斥简谐作用势的非晶固体中普遍存在，并且起到了主导作用。成功揭示该模式的形成机理对完善非晶固体稳定性的理论具有重要的意义。

稳定键（红色实线）与先前用来表征非晶固体局域稳定性的软点粒子（深蓝色圆盘）的比较，可见，稳定键和软点粒子有很好的空间关联。从左到右分别为具有简谐、赫兹、负幂律相互作用势非晶体系的结果，可见结论的普适性。左图中放大部分连接两个桔色粒子的稳定键在外力加载下断裂，造成非连续不稳定模式的发生。

该研究组经过长时间的努力，最终获得了该怪异模式形成的清晰图像。他们发表于《美国科学院院刊》的工作首次报道并表征了这种新的非晶固体失稳模式。折叠不稳定模式的主要特征是非晶固体在趋近力学失稳方向的势垒高度逐渐减小并消失，对应于最低频本征振动模频率的幂律减小并消失。然而，新模式在趋近失稳过程中，本征振动模没有任何征兆，力学失稳是非连续、突然发生的，因此，该研究组将其命名为非连续不稳定（discontinuous instability）。他们发现，非连续不稳定的产生源于非晶固体中一根键（粒子间的相互作用）的断裂，然而，并不是所有键的断裂都会造成力学失稳。形成非连续不稳定需要具备两个条件：1.键的劲度系数在濒临断裂的边缘不为零，2.断裂的键必须是稳定键（stabilizing bond）。稳定键是该工作首次提出的一个重要概念。该工作发现，稳定键在非晶固体中普遍存在，它的发现源于理解非晶固体新的失稳模式，然而，作为一个新的局域特征量，相比于过去提出的其它微观表征量，稳定键的定义非常明确，它在表征、预测和调控非晶固体不稳定性的研究中有潜在的应用、将产生重要的影响。

物理学院的博士生胥鼎是该工作的第一作者，徐宁教授是通讯作者。这项工作得到国家自然科学基金委的支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304974120

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