Response of a Model Glass to Athermal Quasistatic Pinching
本文通过数值模拟证明，非热无应变挤压（athermal quasistatic pinching）可作为非晶态固体的一种极小局部探针，揭示了从线性弹性、偶极响应向塑性机制的转变，其中重排的性质——从充分退火玻璃中的局部事件到退火不足材料中的全系统级联——受控于施加的拉伸量以及材料的稳定性。
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想象一个由微小的、杂乱无章的粒子组成的世界，这些粒子并非因为冷却成晶体而冻结，而是因为被困在了一种混沌、无序的状态中。这就是非晶态固体（amorphous solids）的本质，这类材料包括从窗户玻璃、金属合金到沙丘中的沙子以及你体内的细胞。与原子处于完美重复网格中的晶体不同，这些材料是由于不规则堆积而形成的混乱体。然而，尽管内部结构紊乱，它们在受到推拉时表现得惊人地相似。它们是固体，能够抵抗变形，但如果推力足够大，它们最终会屈服，像粘稠的液体一样流动。理解这些材料如何精确地从刚性转变为流动性，是物理学领域面临的重大挑战之一，因为它决定了为什么一座桥梁能够承重，或者为什么一块玻璃会破碎。
几十年来，科学家们一直在研究这些材料对全局作用力（例如拉伸一整块金属或挤压一容器沙子）的反应。但一个更微妙的问题一直悬而未决：如果你仅仅拨动其中的两个微小粒子会发生什么？如果你抓住两个相邻的原子并将其拉开，材料的其他部分会如何反应？这种扰动是局部的，还是会向外波动以震动整个结构？这个问题对于理解固体如何破碎和流动的基本构建模块至关重要。法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的研究人员通过模拟一种他们称为“捏挤”（pinching）的过程来解决这一问题——即在虚拟环境中抓住两个粒子并缓慢将它们拉开，以观察会发生什么。
研究人员构建了一个玻璃态材料的数字模型，在一个正方形方框内填充了数千个三种不同尺寸的小球。他们创建了许多版本的这种数字玻璃，其中一些非常稳定，另一些则不太稳定，这模拟了精心冷却的玻璃与冷却过快的玻璃之间的差异。然后，他们选择了一对随机接触的粒子，并施加一个力将它们拉开，以极小的、受控的步长增加它们之间的距离。这个过程是在无热状态下进行的，这意味着材料在每一次微小的移动后都被允许沉降到其最舒适的位置，从而使科学家能够以完美的清晰度观察材料的反应。
当研究人员将粒子拉开一点点时，材料的表现完全符合经典物理学对固体的预测。两个粒子向两侧移动，周围的粒子发生轻微位移以适应这种变化，产生了一种扩散出的特定四叶草形状的运动模式。这种看起来像四叶草的模式，正是物理学家在观察局部变形的固体时所预期的。研究人员发现，即使在距离“捏挤”处仅几个粒子直径的距离处，这种简单且可预测的行为依然成立。这证实了通常适用于大型光滑物体的标准弹性法则，即使在单个原子的微观尺度上也能完美适用，前提是材料是稳定的且拉力是温和的。
然而，当研究人员将粒子拉得更远时，情况发生了变化。在某个临界点，束缚着这两个被拉开原子的局部“笼子”终于破裂了。就在这一刻，材料不再表现得像弹簧，而是开始表现得像一种塑性物质。在最稳定的玻璃中，这种破裂是一个受控事件。粒子在发生“捏挤”的地方重新排列，扰动迅速消散。材料的其他部分保持平静，这一事件是一个局部的、孤立的重排过程。
但在那些稳定性较差、准备不足的玻璃中，故事却截然不同。在这些材料中，一旦笼子破裂，情况便不再安静。初始的重排会发出应力冲击波，触发远处其他粒子的运动。一个小小的滑动引发了另一个滑动，进而引发更多滑动，形成了一场连锁反应。在这些不稳定的材料中，一次小小的捏挤可能会引发一场横跨整个系统的级联运动，将一个微小的局部事件变成一场大规模的系统性雪崩。研究人员观察到，玻璃越不稳定，通过一次局部拉伸触发大规模坍塌的可能性就越大。
团队还发现，材料的反应方式在很大程度上取决于其制备方式。在模拟中被缓慢冷却的稳定玻璃能够抵御这些级联反应，并将塑性事件控制在微小范围内。而那些快速冷却的不稳定玻璃则容易发生广泛的雪崩。这表明，材料制造的过程——它是如何被冷却或制备的——会在其应对压力的方式上留下持久的烙印。一个准备良好的玻璃就像是一个纪律严明的群众，能够吸收推搡而不发生恐慌；而一个准备不足的玻璃则像是一个处于暴动边缘的群众，仅仅一次推搡就能让所有人陷入奔逃。
通过绘制粒子运动和能量释放的精确图谱，研究人员成功地将这些微观事件与固体变形的宏观理论联系起来。他们发现，即使在发生塑性事件时，材料远离该事件处的运动方式仍然遵循与初始弹性响应相同的数学模式，只是量级更大。这意味着，无论材料是在轻微弯曲还是在破碎，其运动的基本语言是一致的。关键区别不在于运动的语言，而在于材料本身的稳定性，它决定了这种运动是保持微小还是演变成一场灾难。
这项工作为固体变形中最小可能的单元提供了清晰、详细的图像。它表明，从弹性固体向流动物质的转变并非一个突然、神秘的跳跃，而是一个受材料稳定性和扰动规模支配的过程。研究证实，虽然弹性法则在最小尺度上依然成立，但混沌的可能性就潜伏在表面之下，等待着由不稳定性与力的特定组合来触发。对于试图设计更强韧材料或理解复杂系统失效原因的科学家来说，这提供了一个看待世界的新视角：通过观察一对粒子对“捏挤”的反应，人们便可以洞察整个结构的命运。
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