(資料圖片)
中國科大物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心徐寧教授研究組與美國賓夕法尼亞大學Andrea J. Liu教授和芝加哥大學Sidney R. Nagel教授合作，在非晶固體穩定性機理研究中取得重要進展，相關成果于8月16日在線發表于《美國科學院院刊》。
固體在足夠大的外力加載情況下會由于力學失穩而發生斷裂等現象。晶體的失穩往往是由缺陷觸發的，然而，非晶固體結構無序、處處是缺陷，理解非晶固體的力學失穩機理，尤其是準確預言非晶固體發生結構破壞、重排的區域位置是非常困難的問題。非晶固體穩定性機理的研究對于非晶材料特性的理解和調控以及地震、泥石流、雪崩等自然災害的預測和防控都有非常重要的意義，因此是非晶固體基礎物理研究的一項重要內容。
徐寧教授與Andrea J. Liu教授、Sidney R. Nagel教授合作，近年來開展了非晶固體穩定性機理及應用的研究，他們發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters, 2017, 119: 215502）的工作用折疊不穩定（fold instability）理論給出了非晶固體在外力加載下失穩的一般性圖像，并且預言了力學失穩會使得非晶固體本征振動模的態密度與其頻率的三次方成正比。然而，他們也發現了一類不能用折疊不穩定理論解釋的怪異失穩模式，該模式在具有純排斥簡諧作用勢的非晶固體中普遍存在，并且起到了主導作用。成功揭示該模式的形成機理對完善非晶固體穩定性的理論具有重要的意義。
穩定鍵（紅色實線）與先前用來表征非晶固體局域穩定性的軟點粒子（深藍色圓盤）的比較，可見，穩定鍵和軟點粒子有很好的空間關聯。從左到右分別為具有簡諧、赫茲、負冪律相互作用勢非晶體系的結果，可見結論的普適性。左圖中放大部分連接兩個桔色粒子的穩定鍵在外力加載下斷裂，造成非連續不穩定模式的發生。
該研究組經過長時間的努力，最終獲得了該怪異模式形成的清晰圖像。他們發表于《美國科學院院刊》的工作首次報道并表征了這種新的非晶固體失穩模式。折疊不穩定模式的主要特征是非晶固體在趨近力學失穩方向的勢壘高度逐漸減小并消失，對應于最低頻本征振動模頻率的冪律減小并消失。然而，新模式在趨近失穩過程中，本征振動模沒有任何征兆，力學失穩是非連續、突然發生的，因此，該研究組將其命名為非連續不穩定（discontinuous instability）。他們發現，非連續不穩定的產生源于非晶固體中一根鍵（粒子間的相互作用）的斷裂，然而，并不是所有鍵的斷裂都會造成力學失穩。形成非連續不穩定需要具備兩個條件：1.鍵的勁度系數在瀕臨斷裂的邊緣不為零，2.斷裂的鍵必須是穩定鍵（stabilizing bond）。穩定鍵是該工作首次提出的一個重要概念。該工作發現，穩定鍵在非晶固體中普遍存在，它的發現源于理解非晶固體新的失穩模式，然而，作為一個新的局域特征量，相比于過去提出的其它微觀表征量，穩定鍵的定義非常明確，它在表征、預測和調控非晶固體不穩定性的研究中有潛在的應用、將產生重要的影響。
物理學院的博士生胥鼎是該工作的第一作者，徐寧教授是通訊作者。這項工作得到國家自然科學基金委的支持。
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304974120
標簽：
