玻璃能承受應(yīng)力，顯然是一種固體；同時(shí)其微觀結(jié)構(gòu)保持無(wú)序，類似液體。這種混合的特性使得玻璃態(tài)物質(zhì)在我們?nèi)粘Ｉ钪袚碛性S多有趣的應(yīng)用，同時(shí)，也讓科學(xué)家費(fèi)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(xué) gang jing）則對(duì)此持保留態(tài)度。玻璃是否真的具有剛性，其剛性起源是什么，這仍是值得探討的科學(xué)問(wèn)題。

近日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)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(fā)表了關(guān)于有限溫度下非晶固體剛性起源的最新成果。該項(xiàng)研究詮釋了在沒(méi)有發(fā)生自發(fā)對(duì)稱破缺且簡(jiǎn)諧近似完全失效的情況下，非晶固體如何通過(guò)力學(xué)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(zhì)形態(tài)，以至于人們可能很難意識(shí)到其神奇之處。首先，非晶固體跟液體一樣具有無(wú)序的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)又跟晶體一樣表現(xiàn)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(dá)到和諧統(tǒng)一？凝聚態(tài)物理理論告訴我們，晶體的剛性起源于晶格周期性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的自發(fā)對(duì)稱破缺。非晶固體結(jié)構(gòu)無(wú)序，顯然不能通過(guò)這一機(jī)制獲得剛性。其次，對(duì)于晶體而言，基于零溫完美晶體理解其低溫特性是順其自然的。溫度帶來(lái)的熱漲落效應(yīng)可以在簡(jiǎn)諧近似下作為微擾處理。然而，非晶固體具有特殊的臨界穩(wěn)定性，也就是說(shuō)，非常小的熱漲落效應(yīng)都會(huì)給體系帶來(lái)顯著的改變。這進(jìn)一步給理解有限溫度下的非晶固體特性制造了根本性的困難。

應(yīng)力長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)的出現(xiàn) 童華課題組及其合作者關(guān)注液體降溫形成非晶固體的過(guò)程中系統(tǒng)力學(xué)特性的演化。通過(guò)大規(guī)模計(jì)算機(jī)模擬，研究發(fā)現(xiàn)非平衡玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程伴隨著應(yīng)力長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)的出現(xiàn)。與剪切彈性模量的結(jié)果相互印證，這證明了非平衡玻璃化轉(zhuǎn)變本質(zhì)上是一個(gè)力學(xué)特性的轉(zhuǎn)變過(guò)程，而應(yīng)力長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)可能是非晶固體統(tǒng)一的剛性起源。

核心力學(xué)網(wǎng)絡(luò)的逾滲轉(zhuǎn)變 在巨大的非簡(jiǎn)諧效應(yīng)之下，有限溫度下的非晶固體遠(yuǎn)離力學(xué)平衡的狀態(tài)。在此條件下，應(yīng)力的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)是如何產(chǎn)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(xué)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(duì)應(yīng)的實(shí)空間中，這意味著存在這樣的核心力學(xué)網(wǎng)絡(luò)，其承載著主要的應(yīng)力且在整個(gè)系統(tǒng)中延展，就像一個(gè)強(qiáng)力的骨架讓系統(tǒng)呈現(xiàn)剛性。一個(gè)重要的研究發(fā)現(xiàn)是，這一核心力學(xué)網(wǎng)絡(luò)只有在溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)才能擴(kuò)展至全局，用科學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)講，就是發(fā)生了逾滲轉(zhuǎn)變。該結(jié)果詮釋了有限溫度下非晶固體剛性起源的微觀機(jī)制。 綜上，有限溫度下的非晶固體通過(guò)特殊的力學(xué)自組裝機(jī)制達(dá)到“部分力學(xué)平衡”從而獲得剛性；零溫非晶固體因?yàn)槌浞值牧W(xué)平衡獲得剛性。晶體的剛性可以從自發(fā)對(duì)稱破缺角度詮釋。但是晶體也滿足力學(xué)平衡條件，只是其力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)特性完全對(duì)應(yīng)，研究人員一直是以結(jié)構(gòu)而非力學(xué)特性作為第一出發(fā)點(diǎn)。童華課題組的研究表明，為了統(tǒng)一理解非晶固體和晶體的剛性以及其他相關(guān)特性，力學(xué)自組裝或許可以作為基本的出發(fā)點(diǎn)。 論文第一作者為上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院童華教授，合作者為日本東京大學(xué)的Shiladitya Sengupta 以及Hajime Tanaka教授。

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