宾夕法尼亚大学 无序的材料，如智能手机屏幕中使用的玻璃，有许多有用的特性，但如果掉落或压碎，就会变得脆弱
新的研究描述了外力如何驱动这类材料中单个粒子的重新排列
这一基本发现可能会为赋予材料独特的机械性能提供新的途径——比如不会破碎的手机屏幕
学分:宾夕法尼亚大学 发表在《美国国家科学院院刊》上的新研究描述了外力是如何驱动无序材料中单个粒子的重新排列和微观结构的
这项研究由研究生拉里·盖洛维、博士后马晓光、教职员工保罗·阿瑞蒂亚、道格拉斯·杰罗马克和阿尔琼·约德进行，为无序的玻璃状固体的微观结构如何与外部压力和单个粒子运动的最终变化相关提供了新的见解
这些发现为创造具有独特机械性能的可定制材料提供了潜在的新途径
纵观历史，无论是大马士革钢剑还是硫化橡胶，人们都在寻找让材料更有弹性、更柔韧、更耐用的方法
如今，最先进的成像技术使科学家能够在原子水平上研究材料，但即使有了这种增强的分辨率，研究受外力作用的材料仍然是一项挑战
这使得开发“自下而上”的设计方法变得困难，这种方法可以使材料具有特定的机械性能
无论是研究还是操作都特别具有挑战性的一类材料是无序材料
与有序材料不同，有序材料的晶体结构中原子位于明确的可预测位置，就像蜂窝晶格一样，无序材料中的原子是随机排列的，就像一堆沙子中的颗粒
无序的材料，如智能手机屏幕中使用的玻璃，有许多有用的特性，但如果掉落或压碎，就会变得脆弱
为了更好地理解无序材料是如何通过赋予它们新特性的方式进行改性的，研究人员在塑性变形过程中对它们进行了研究
在这个过程中，材料被驱动流动，组成材料的原子、分子或粒子很容易滑过彼此，导致材料整体结构的永久重排
研究人员的目标是寻找可量化的关系，将材料在外部压力影响下的变化能力与单个粒子如何重新排列联系起来
该小组使用一种“模型”无序材料进行实验，这种材料由50，000个模拟原子的胶体粒子组成
单个“原子”分散在水的界面上，研究人员用一根小磁针用剪切力推动原子层，使它们沿着特定的路径流动
利用剪切过程中收集的视频，他们能够跟踪所有50，000个粒子的运动
实验设计和结果的图表
对颗粒施加剪切力(以灰色显示)
研究人员发现，施加外力的速度与最终材料的有序程度有关
信用:拉里·盖洛维 利用这个数据集，研究人员计算了两个对理解无序固体的反应至关重要的量:超额熵和弛豫时间
超额熵是表征材料无序程度的整体样品结构的量度
粒子弛豫是对材料响应动力学的一种度量，它表征了单个粒子相互运动的速度
“我们注意到这两个量相互之间有很好的联系，”盖洛维在谈到对这个数据集的分析时说，研究人员用这个数据集来量化胶体“原子”在施加压力时移动的速度，并将这个速度与最终材料的无序程度进行比较
超额熵的概念以前曾被用来研究处于平衡状态的液体和系统，这意味着所有作用在系统上的力都是平衡的
目前的工作是第一个将这些想法应用于非平衡系统的实验，例如这里研究的塑性变形无序材料
“我们发现，在标准液体理论中经常用到的同一个概念——超额熵，可以帮助我们理解固体是如何发生塑性变形的，”马说
通过量化塑性变形过程中结构(或超额熵)与动力学(或弛豫时间)之间的关系，研究小组发现了单个粒子位置的变化与材料整体结构之间的联系
“首先，我们施加一个外部压力来推动材料，”约德说
“然后，物质材料中的粒子重新排列，最终松弛成新的内部结构
我们发现，外力施加得越快，粒子重新排列的速度就越快，最终的材料结构就变得越无序，这从它的超额熵可以反映出来
" 这种对材料的动力学与微观结构在单粒子水平上的关系的进一步理解，现在可以帮助材料科学家理解给定材料的“历史”
“如果我知道塑性变形的速率，那么我就可以预测处于最终状态的材料的有序程度
或者，如果你观察一种材料，测量它的微观结构顺序，那么我可以告诉你导致它出现的塑性变形过程，”马说
研究人员现在正在计划额外的实验，以更局部地计算超额熵，并观察比本实验中使用的系统更无序的系统
如果他们发现在目前的工作中建立的物理原理可以推广到其他类型的材料，这可能为将原子级测量与理想的机械性能联系起来的新方法铺平道路
“然后，你可以学习如何以某种方式准备材料，通过剪切得更快或更慢，这样你就有了一个不会破碎的屏幕，”阿瑞蒂亚说
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