近日，中國科學技術大學教授徐寧研究組通過長期的嘗試和大量的統(tǒng)計計算，在Jammed固體屈服應力的計算和點J的臨界性的研究中取得新進展。該研究的論文發(fā)表于4月11日的《物理評論快報》，并被選為編輯推薦的論文。
具有純排斥相互作用的膠體、顆粒物質(zhì)、泡沫等軟物質(zhì)體系在堆積密度增大時會由無剛性的Unjammed體系轉(zhuǎn)變?yōu)橛袆傂缘腏ammed非晶固體，零溫狀態(tài)下該Jamming轉(zhuǎn)變對應的密度軸上的點被稱為點J。點J處的Jamming轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)出新奇有趣的相變行為，同時具有連續(xù)和非連續(xù)相變的混合特性，因此不能簡單歸屬于已知的相變類型。點J的臨界性在過去十年中得到了廣泛的關注，人們從不同的角度探討了該臨界性，然而，和通常的臨界現(xiàn)象不同的是至今沒有直接觀測到發(fā)散的靜態(tài)關聯(lián)尺度。作為研究非晶液-固轉(zhuǎn)變最簡單的模型，點J處的Jamming轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為軟凝聚態(tài)物理的研究熱點，并被許多研究領域借用來理解非晶固體的形成。
Jammed固體在外加剪切應力超出其屈服應力時也會發(fā)生Unjamming轉(zhuǎn)變而形成剪切流，如何確定屈服應力是非晶固體材料特性研究的一個焦點。從勢能圖景（Potential Energy Landscape）的角度看，固體的屈服應力應該是固體能穩(wěn)定存在的最大應力，數(shù)值上應該能夠通過尋找恒定剪切應力下勢能圖景中的穩(wěn)定固態(tài)來測量。然而，快速尋找恒定剪切應力下穩(wěn)定固態(tài)的數(shù)值方法依然缺乏。
該研究組的博士生劉浩、本科生謝曉宜和徐寧教授提出了一個類熱力學函數(shù)焓的能量函數(shù)，可以通過最小化該函數(shù)來快速得到給定剪切應力作用下的固體。通過大量的統(tǒng)計，他們確定出了在恒定剪切應力下尋找到Jammed固體的幾率，并由此幾率隨剪切應力的變化給出了Jammed固體的平均屈服應力和其不確定度。由此方法確定出的Jammed固體屈服應力隨體積分數(shù)的變化呈現(xiàn)出有限尺度效應，并滿足有限尺度標度。該有限尺度標度表明在點J處屈服應力為零并存在發(fā)散的關聯(lián)尺度，從而提供了點J臨界性的又一有力證據(jù)。有趣的是，該關聯(lián)尺度的標度指數(shù)并不僅僅適用于屈服應力。其它一系列在Jamming轉(zhuǎn)變中呈現(xiàn)出臨界標度的物理量都滿足有限尺度標度，并且都有同樣的關聯(lián)尺度標度指數(shù)。因此，該研究中發(fā)現(xiàn)的關聯(lián)尺度應該具有魯棒性。此外，通過比較準靜態(tài)剪切和文章所述新方法獲得的剪切應力作用下的Jammed固體的性質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)準靜態(tài)剪切傾向于尋找勢能低的固體態(tài)，這為獲得超穩(wěn)玻璃提供了一條簡單可行的途徑。
審稿人評論說：“這是一項極度有抱負的工作。 吸引人的是，作者看來發(fā)現(xiàn)了一個真正可以象平衡體系中的熱力學函數(shù)一樣描述非平衡體系的函數(shù)。這是一個很重要的結(jié)果，將會極大地推進Jamming及非平衡態(tài)統(tǒng)計物理的研究。該方法很新，而且可能會開啟剪切作用下的Jamming轉(zhuǎn)變研究的新途徑。”
這項研究得到了基金委、科技部、中科院和教育部的支持。
中國科大軟物質(zhì)體系的Jamming研究獲進展
