本网讯 近日，中南大学材料科学与工程学院彭海龙副教授等人在国际顶级期刊Nature Physics（《自然-物理》）上发表了题为“Nonaffine atomic rearrangement of glasses through stress-induced structural anisotropy”（应力诱导结构各向异性揭示玻璃中原子尺度非仿射形变重排）的研究成果。该论文是中南大学材料科学与工程院与中国科学院物理研究所、美国橡树岭国家实验室等一起合作在凝聚态物理领域取得的最新研究成果。中南大学彭海龙副教授为共同一作和共同通讯作者。

非晶固体（玻璃）的原子尺度形变机理是材料科学和凝聚态物理领域备受关注的前沿问题之一，也是玻璃材料宏观性能设计和应用的基础。晶体材料具有长程有序的原子结构，其塑性形变可通过一些晶体缺陷（位错、晶界等）中的原子运动来进行。缺陷可看作塑性形变的载体，并且这些形变载体在有序的晶格中可以通过实验手段（如透射电镜）很容易辨别并描述。但在玻璃的无序结构中很难定义缺陷，在形变时非晶无序结构中的原子是如何响应和运动的当前无论在理论描述还是实验表征上仍然存在巨大的挑战。非仿射位移(nonaffine displacements)，即位移中偏离均匀线性响应的部分，是澄清玻璃材料原子尺度塑形变机理最为关联的物理量。

通过采用高能X射线衍射，该团队实验上测量了四种不同键合类型的玻璃材料（锆基非晶合金、单质非晶硒、氧化物玻璃B₂O₃和聚合物玻璃Polystyrene）高温蠕变后的结构各向异性量（见上图a左）。由于蠕变，样品的结构各向异性量不为零，但偏离仿射形变下的理论预测。在金属玻璃中（上图a右），理论预测和实验测量在11Å外相互吻合，这表明金属玻璃中的非仿射形变是一种局域的行为。结合分子动力学模拟的结果，该团队发现该结构各向异性和非仿射形变量在原子尺度存在密切的关联：结构各向异性越大的地方，其非仿射形变量也越大（上图b、c左）。此外，分子动力学也更直观展示了玻璃材料的微观形变的原子运动模式：非晶合金的非仿射形变主要来源于原子键的伸长或缩短所导致的新原子键的形成（上图b右）；而具有方向性键合的玻璃的非仿射形变模式为分子键/分子链的转动（上图c右）。该研究结构揭示了原子/分子玻璃中导致非仿射形变的原子重排机制，为理解各种玻璃材料的宏观力学变形行为和性能提供了基础。

（一审：李贝 二审：王轩 三审：李殷）