科研进展

王宇杰课题组揭示颗粒非晶体系塑性的结构及拓扑机制

近来,上海交通大学物理与天文学院王宇杰课题组在《自然通讯》[Nature Communications 9, 2911 (2018)]上发表了题为“Structural and topological nature of plasticity in sheared granular materials”的论文。

作为无序体系的一种,颗粒物质在外加应力下会发生塑性变形并产生屈服。理解塑性的机理可以帮助人们发展新的本构模型及理解剪切带形成的机理。但是迄今为止人们对包括颗粒材料在内的无序体系的塑性本质还不是完全理解。晶体的塑性可以通过位错的性质来理解。非晶体系中,是否存在类似于位错一样的缺陷一直是研究的一个热点。在分子原子非晶体系的研究中,人们很早就意识到塑性一般发生在空间一些非常局域的区域,最开始的研究认为这些区域类似于晶体中的点缺陷,但是这种缺陷结构的本质是什么迄今没有定论。过去人们引入了包括自由体积、近邻位置交换(T1事件)、剪切转变区域(STZ)、流变单元等概念来理解缺陷行为,但是这些概念很多时候是近似的或者是基于过程描述的。比如剪切转变区域理论就是通过局域发生了塑性变形后的非仿射位移来表征的,没有事先预测什么样的结构会导致大的塑性形变。这与人们熟知的晶体中缺陷(点缺陷和位错)是基于结构及拓扑结构的描述是完全不同的。

王宇杰课题组利用上海光源的原位CT成像装置获得了三维颗粒体系在剪切过程中的结构演化,并研究了其塑性变形的微观结构机制和结构缺陷。发现非晶体系中塑性的载体是非常类似于位错的另一种拓扑缺陷。在晶体中,位错是平动自由度的拓扑缺陷,发生在晶体结构序的缺陷处,晶体的塑性是通过位错的平移滑动来实现的。而在非晶体系中,他们发现塑性的载体不是点缺陷,而是和转动自由度关联的拓扑缺陷-向错。这种缺陷结构也同时对应于过去找到的非晶的四面体结构序的结构缺陷(变形非常严重的四面体结构,而且塑性变形是通过这种向错的空间旋转来实现的。这种具有普适性的缺陷概念表明各种非晶材料也许可以被统一在由旋转自由度决定的拓扑缺陷的框架中来研究。将研究的主体从结构序转到结构缺陷的好处在于即使在晶体中,也存在非常多的对称破缺的晶体序(面心立方、体心立方等),而缺陷的种类相对较少。同样在非晶体系中,对应的“非晶序”如果存在,也必然会强烈依赖于具体的非晶体系,而对应的缺陷的研究会使研究简化不少。

文章第一作者是王宇杰课题组博士生曹一新,合作者还包括该组博士生李金东,寇斌权,夏成杰,李智峰,上海光源陈荣昌,谢红兰,肖体乔研究员,法国Montpellier大学的WalterKob教授,上海交通大学洪亮和张洁教授等。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-05329-8