上海交大童華課題組關於非晶固體剛性起源的研究取得最新進展

玻璃能承受應力，顯然是一種固體；同時其微觀結構保持無序，類似液體。這種混合的特性使得玻璃態物質在我們日常生活中擁有許多有趣的應用，同時，也讓科學家費解和著迷。作為普通人，我們可以愉快地接受玻璃是固體這一事情；而科研人員（科學 gang jing）則對此持保留態度。玻璃是否真的具有剛性，其剛性起源是什麼，這仍是值得探討的科學問題。

近日，上海交通大學物理與天文學院童華課題組在Nature Communications上以「Emergent solidity of amorphous materials as a consequence of mechanical self-organisation」為題發表了關於有限溫度下非晶固體剛性起源的最新成果。該項研究詮釋了在沒有發生自發對稱破缺且簡諧近似完全失效的情況下，非晶固體如何通過力學自組裝獲得剛性。

非晶固體，譬如玻璃，是日常生活中如此常見的物質形態，以至於人們可能很難意識到其神奇之處。首先，非晶固體跟液體一樣具有無序的微觀結構，同時又跟晶體一樣表現出剛性。如此不同乃至相互矛盾的兩種特性如何在非晶固體中達到和諧統一？凝聚態物理理論告訴我們，晶體的剛性起源於晶格周期性結構導致的自發對稱破缺。非晶固體結構無序，顯然不能通過這一機制獲得剛性。其次，對於晶體而言，基於零溫完美晶體理解其低溫特性是順其自然的。溫度帶來的熱漲落效應可以在簡諧近似下作為微擾處理。然而，非晶固體具有特殊的臨界穩定性，也就是說，非常小的熱漲落效應都會給體系帶來顯著的改變。這進一步給理解有限溫度下的非晶固體特性製造了根本性的困難。

應力長程關聯的出現

童華課題組及其合作者關注液體降溫形成非晶固體的過程中系統力學特性的演化。通過大規模計算機模擬，研究發現非平衡玻璃化轉變過程伴隨著應力長程關聯的出現。與剪切彈性模量的結果相互印證，這證明了非平衡玻璃化轉變本質上是一個力學特性的轉變過程，而應力長程關聯可能是非晶固體統一的剛性起源。

核心力學網絡的逾滲轉變

在巨大的非簡諧效應之下，有限溫度下的非晶固體遠離力學平衡的狀態。在此條件下，應力的長程關聯是如何產生的？從高維能量超平面的角度看，一種可能的解釋是，雖然力學平衡在大量的自由度上被打破，而在一部分自由度上卻近似成立。在對應的實空間中，這意味著存在這樣的核心力學網絡，其承載著主要的應力且在整個系統中延展，就像一個強力的骨架讓系統呈現剛性。一個重要的研究發現是，這一核心力學網絡只有在溫度低於玻璃化轉變點時才能擴展至全局，用科學術語來講，就是發生了逾滲轉變。該結果詮釋了有限溫度下非晶固體剛性起源的微觀機制。

綜上，有限溫度下的非晶固體通過特殊的力學自組裝機制達到「部分力學平衡」從而獲得剛性；零溫非晶固體因為充分的力學平衡獲得剛性。晶體的剛性可以從自發對稱破缺角度詮釋。但是晶體也滿足力學平衡條件，只是其力學特性與結構特性完全對應，研究人員一直是以結構而非力學特性作為第一出發點。童華課題組的研究表明，為了統一理解非晶固體和晶體的剛性以及其他相關特性，力學自組裝或許可以作為基本的出發點。

論文第一作者為上海交通大學物理與天文學院童華教授，合作者為日本東京大學的Shiladitya Sengupta 以及Hajime Tanaka教授。

童華課題組主頁：

https://order.sjtu.edu.cn/

論文連結:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18663-7