Nat. Commun.: 颗粒非晶体系塑性的结构及拓扑机制

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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我们发展新的本构模型及理解剪切带形成的机理。但是迄今为止我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（图1）。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局域结构会导致大的塑性形变。这与我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。

图1：a，晶体中位错在剪切下的滑移。b,非晶中是否存在缺陷及在剪切下的运动模式。

近日，上海交通大学王宇杰教授课题组与上海光源肖体乔研究员课题组合作，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。他们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，Xia et al., Nature Commun. 6, 8409, 2015），而且塑性变形是通过这种向错的空间旋转来实现的（也称为翻转（flip）过程，图2a）。翻转是空间局域塑性变形的核，有一定的影响范围（图2b）。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。

图2：a, 剪切中的拓扑结构的改变是由2-2翻转（flip）过程决定的(AC断开，BD形成)，也等同于一个4轴的向错的旋转过程。b，塑性形变在发生翻转（flip）的位置达到最大，会影响空间约4个粒子直径大小的范围，表明翻转的位置对应局域塑性的核。

值得注意的是，颗粒物质作为非晶物质中的一种，也具有自身的独特性，具体表现为在塑性变形时，局域结构不是通过热涨落来瞬时跳跃势垒，从一个局域暂稳的势阱态跳跃到另一个势阱，而是由于摩擦的存在，原有的光滑的能量景观出现更多的暂稳态，体系可以将热无序体系跨越势垒的动力学过程的路径标示出来（图3）。这也与前期该研究组研究结果一致（Kou et al. ,Nature 551， 360， 2017）。

图3：摩擦使能量景观图变得粗糙，出现很多暂稳态。

该研究成果以“Structural and topological nature of plasticity insheared granular materials”为题发表在《自然通讯》（Nature  Communications）。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，谢红兰研究员，法国Montpellier大学的Walter Kob教授，上海交通大学洪亮和张洁教授等。

香港科技大学土木与环境工程系赵吉东教授高度评价王宇杰组的这项工作，认为“这是研究颗粒材料塑性本质的一个重大突破，为我们提供了颗粒材料局部塑性核的一种全新的基本拓扑结构变化解释，为将来基于基本微观结构发展跨尺度宏观本构理论理解颗粒材料静动力物理及力学特性提供了重要理论及试验观察依据。该突破对促进基础颗粒力学基本理论及相关工程应用都具有重大价值”。

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