Spatially heterogeneous relaxational dynamics and the evolution of recoverable strain following flow cessation of a ductile nanocolloidal glass
本研究结合流变学与X射线光子相关光谱技术，揭示了剪切纳米胶体玻璃中持久的应力松弛和可恢复应变损失是由空间非均匀的带状回流动力学驱动的，而随后的应变恢复则是通过均匀且纯仿射的运动进行的。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
停止流动的粘性秘密
想象一下，你正在搅拌一种像蜂蜜或牙膏一样浓稠、黏糊糊的混合物。只要你不停地搅拌，这种混合物就会像液体一样流动。但就在你停止搅拌的那一刻，神奇而神秘的事情发生了：它突然决定重新表现得像固体一样。这不仅仅是一个厨房里的戏法，它是一种被称为“屈服应力流体”的整类材料的一种基本行为。这些黏糊糊的物质构成了从墙上的油漆到管中的牙膏，甚至到沼泽中的泥浆中的一切。它们很特别，因为根据你推挤它们的力度不同，它们既可以是液体，也可以是固体。
科学家们早就知道，当你停止推动这些材料时，它们并不会立即冻结。相反，它们会经历一个缓慢的、内在的“冷却下来”的过程，在这个过程中它们会放松并重新组织自身。把这想象成一群人在走廊里奔跑；当警报停止时，他们并不会死死地停在原地。他们会踉跄、挪动，然后慢慢地重新回到平静的队列中。了解这种“沉降”究竟是如何发生的，对于工程师来说至关重要。如果你正在3D打印一个陶瓷花瓶，你需要知道材料在打印机停止移动后的那一秒钟内会如何保持形状。如果你正在向体内注入凝胶，你需要知道它会多快变硬。大问题在于：在流动停止后的最初几秒钟内，那些黏糊糊的物质在微观层面究竟发生了什么？它是平滑、均匀的停止，还是由不同部分以不同速度运动组成的混乱局面？
伟大的玻璃态舞步
在这项研究中，一个研究小组决定窥探一种“纳米胶体玻璃”——一种由悬浮在水中的微小二氧化硅颗粒组成的超浓稠汤剂——内部究竟在停止流动时是如何表现的。他们不仅观察外部，还使用了一种强大的组合：一台测量应力的机器（流变仪）和一台超高速X射线相机（XPCS），来实时观察微小颗粒的舞蹈。他们将材料推至300%的应变（将其拉伸至原始尺寸的三倍），然后突然停止流动，观察接下来的变化。
他们的发现是一个由两种截然不同的行为同时上演的故事。首先，他们观察了“应力”，这基本上是材料感受到的内部张力。他们发现，在流动停止后，应力并没有迅速下降；相反，它消散得非常缓慢，就像一声持续了几分钟的长叹。与此同时，他们测量了“可恢复应变”，即如果释放材料，它能够“弹回”的部分。他们发现，随着应力的消退，这种弹回的能力也在消退，且这两者以完全匹配的节奏同步进行。这就像是材料在慢慢地用它的“弹性”去交换一种永久性的、被拉伸后的形状。
但真正的惊喜出现在他们使用X射线相机观察微观运动时。他们原以为颗粒会均匀地减速，就像人群同时走向停止一样。然而，他们却看到了“分带”运动，就像一条车道在快速行驶，而另一条车道在缓慢爬行的公路。材料分裂成了两个截然不同的区域：
- 仿射车道（The Affine Lane）： 在这种玻璃的一部分，颗粒进行着协调的、拉伸式的运动，几乎就像被拉伸的橡皮筋一样。
- 塞流车道（The Plug Lane）： 在另一部分，材料作为一个整体“塞子”在移动（就像瓶塞在瓶中滑动），同时又在进行一种缓慢的、慵懒的松弛，仿佛颗粒只是在原地挪动。
研究人员发现，这种“分带”运动的速度与材料失去其“弹回能力”的速度直接相关。这表明，这种“分裂人格”——即有些部分在拉伸，而有些部分在滑动——是驱动材料从类液体状态转变为类固体状态的主要引擎。
然而，一旦材料开始恢复形状，故事就发生了变化。当研究人员释放材料并观察它如何弹回时，那种混乱的分带运动消失了。材料不再分裂成不同的车道；它作为一个单一、平滑、均匀的整体在移动。微观层面的舞蹈变得简单且可预测，与大型机器测得的数据完全吻上。
因此，论文得出结论：当你停止一种流动的玻璃时，它并不仅仅是停止，而是分裂成了一个复杂的、由两条运动车道组成的公路，缓慢地将它的“弹性”转化为永久性的拉伸。但在你释放它以进行恢复时，它会忘掉那种混乱，作为一个单一、平滑、快乐的整体运动。这为科学家提供了一个统一的图景，解释了这些棘手的材料是如何记住（然后又忘记）它们刚刚经历过的流动的。
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