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中國(guó)科大物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心徐寧教授研究組與美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Andrea J. Liu教授和芝加哥大學(xué)Sidney R. Nagel教授合作，在非晶固體穩(wěn)定性機(jī)理研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果于8月16日在線發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》。
固體在足夠大的外力加載情況下會(huì)由于力學(xué)失穩(wěn)而發(fā)生斷裂等現(xiàn)象。晶體的失穩(wěn)往往是由缺陷觸發(fā)的，然而，非晶固體結(jié)構(gòu)無序、處處是缺陷，理解非晶固體的力學(xué)失穩(wěn)機(jī)理，尤其是準(zhǔn)確預(yù)言非晶固體發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞、重排的區(qū)域位置是非常困難的問題。非晶固體穩(wěn)定性機(jī)理的研究對(duì)于非晶材料特性的理解和調(diào)控以及地震、泥石流、雪崩等自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防控都有非常重要的意義，因此是非晶固體基礎(chǔ)物理研究的一項(xiàng)重要內(nèi)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(wěn)定性機(jī)理及應(yīng)用的研究，他們發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters, 2017, 119: 215502）的工作用折疊不穩(wěn)定（fold instability）理論給出了非晶固體在外力加載下失穩(wěn)的一般性圖像，并且預(yù)言了力學(xué)失穩(wěn)會(huì)使得非晶固體本征振動(dòng)模的態(tài)密度與其頻率的三次方成正比。然而，他們也發(fā)現(xiàn)了一類不能用折疊不穩(wěn)定理論解釋的怪異失穩(wěn)模式，該模式在具有純排斥簡(jiǎn)諧作用勢(shì)的非晶固體中普遍存在，并且起到了主導(dǎo)作用。成功揭示該模式的形成機(jī)理對(duì)完善非晶固體穩(wěn)定性的理論具有重要的意義。
穩(wěn)定鍵（紅色實(shí)線）與先前用來表征非晶固體局域穩(wěn)定性的軟點(diǎn)粒子（深藍(lán)色圓盤）的比較，可見，穩(wěn)定鍵和軟點(diǎn)粒子有很好的空間關(guān)聯(lián)。從左到右分別為具有簡(jiǎn)諧、赫茲、負(fù)冪律相互作用勢(shì)非晶體系的結(jié)果，可見結(jié)論的普適性。左圖中放大部分連接兩個(gè)桔色粒子的穩(wěn)定鍵在外力加載下斷裂，造成非連續(xù)不穩(wěn)定模式的發(fā)生。
該研究組經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的努力，最終獲得了該怪異模式形成的清晰圖像。他們發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》的工作首次報(bào)道并表征了這種新的非晶固體失穩(wěn)模式。折疊不穩(wěn)定模式的主要特征是非晶固體在趨近力學(xué)失穩(wěn)方向的勢(shì)壘高度逐漸減小并消失，對(duì)應(yīng)于最低頻本征振動(dòng)模頻率的冪律減小并消失。然而，新模式在趨近失穩(wěn)過程中，本征振動(dòng)模沒有任何征兆，力學(xué)失穩(wěn)是非連續(xù)、突然發(fā)生的，因此，該研究組將其命名為非連續(xù)不穩(wěn)定（discontinuous instability）。他們發(fā)現(xiàn)，非連續(xù)不穩(wěn)定的產(chǎn)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(huì)造成力學(xué)失穩(wěn)。形成非連續(xù)不穩(wěn)定需要具備兩個(gè)條件：1.鍵的勁度系數(shù)在瀕臨斷裂的邊緣不為零，2.斷裂的鍵必須是穩(wěn)定鍵（stabilizing bond）。穩(wěn)定鍵是該工作首次提出的一個(gè)重要概念。該工作發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定鍵在非晶固體中普遍存在，它的發(fā)現(xiàn)源于理解非晶固體新的失穩(wěn)模式，然而，作為一個(gè)新的局域特征量，相比于過去提出的其它微觀表征量，穩(wěn)定鍵的定義非常明確，它在表征、預(yù)測(cè)和調(diào)控非晶固體不穩(wěn)定性的研究中有潛在的應(yīng)用、將產(chǎn)生重要的影響。
物理學(xué)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(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304974120
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