上海交大王宇傑課題組揭示顆粒非晶體系塑性的結構及拓撲機制

2021-01-20 上海交通大學新聞網

近日，上海交通大學物理與天文學院王宇傑課題組在《自然通訊》[Nature Communications 9， 2911 (2018)]上發表了題為「Structural and topological nature of plasticity in sheared granular materials」的論文。

作為無序體系的一種，顆粒物質在外加應力下會發生塑性變形並產生屈服。理解塑性的機理可以幫助發展新的本構模型及理解剪切帶形成的機理。但是迄今為止人們對包括顆粒材料在內的無序體系的塑性本質還不是完全理解。晶體的塑性可以通過位錯的性質來理解。非晶體系中，是否存在類似於位錯一樣的缺陷一直是研究的一個熱點。在分子原子非晶體系的研究中，人們很早就意識到塑性一般發生在空間一些非常局域的區域，最開始的研究認為這些區域類似於晶體中的點缺陷，但是這種缺陷結構的本質是什麼迄今沒有定論。過去人們引入了包括自由體積、近鄰位置交換（T1事件）、剪切轉變區域（STZ）、流變單元等概念來理解缺陷行為，但是這些概念很多時候是近似的或者是基於過程描述的。比如剪切轉變區域理論就是通過局域發生了塑性變形後的非仿射位移來表徵的，沒有事先預測什麼樣的結構會導致大的塑性形變。這與熟知的晶體中缺陷（點缺陷和位錯）是基於結構及拓撲結構的描述是完全不同的。

王宇傑課題組利用上海光源的原位CT成像裝置獲得了三維顆粒體系在剪切過程中的結構演化，並研究了其塑性變形的微觀結構機制和結構缺陷。發現非晶體系中塑性的載體是非常類似於位錯的另一種拓撲缺陷。在晶體中，位錯是平動自由度的拓撲缺陷，發生在晶體結構序的缺陷處，晶體的塑性是通過位錯的平移滑動來實現的。而在非晶體系中，他們發現塑性的載體不是點缺陷，而是和轉動自由度關聯的拓撲缺陷-向錯。這種缺陷結構也同時對應於過去找到的非晶的四面體結構序的結構缺陷（變形非常嚴重的四面體結構，而且塑性變形是通過這種向錯的空間旋轉來實現的。這種具有普適性的缺陷概念表明各種非晶材料也許可以被統一在由旋轉自由度決定的拓撲缺陷的框架中來研究。將研究的主體從結構序轉到結構缺陷的好處在於即使在晶體中，也存在非常多的對稱破缺的晶體序（面心立方、體心立方等），而缺陷的種類相對較少。同樣在非晶體系中，對應的「非晶序」如果存在，也必然會強烈依賴於具體的非晶體系，而對應的缺陷的研究會使研究簡化不少。

文章第一作者是王宇傑課題組博士生曹一新，合作者還包括該組博士生李金東、寇斌權、夏成傑、李智峰，上海光源研究員陳榮昌、謝紅蘭、肖體喬，法國Montpellier大學教授Walter Kob，上海交通大學教授洪亮、張潔等。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05329-8

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