该项目中研究的两种不同系统；
图片来源：美国宾夕法尼亚大学
难以预测的无序固溶体
我们都知道，如果不小心将智能手机掉在地上，手机的玻璃屏幕很容易就发生破裂。与金属材料以及其他一些晶体材料不同，玻璃和许多其他无序固溶体在失效之前不会发生显着变形，而且由于不能形成有序结晶，所以人们难以预测哪些原子在失效期间会发生变化。
现在，人们就要攻克这项难题
“为了了解一个原子是如何选择它的重排位置”，来自美国宾夕法尼亚大学的物理学和天文学教授Douglas Durian说道：“我们必须将这个过程与这些原子的潜在微观结构联系起来。对于晶体材料而言，这是非常容易的，因为晶体材料的重排一般都是发生在拓扑缺陷上，比如位移等。对于无序固体而言，这则是一个困扰了研究人员长达40年的大难题：这些无序固溶体的结构缺陷到底是什么，并且这些结构缺陷在什么地方？但是现在，我们似乎可以清楚的揭开答案了”。
跨学科交流合作
为了找到看似不同的无序材料之间的联系，宾夕法尼亚州立大学艺术与科学学院和工程与应用科学学院之间进行了跨学科交流合作，其中后者在许多材料方面拥有丰富的专业知识，研究了许多以前并未研究过的无序固体粒子，包括单个原子和河流岩石等。从根本上理解材料失效的原因机理可能为设计更多、质量更好的防碎玻璃以及预测一些地质现象（例如滑坡等）提供巨大的指导意义。
在《Science》（《科学》）杂志上发表的一篇论文中，宾夕法尼亚大学的研究人员揭示了这些无序系统之间的共性，并定义了与晶体材料失效相关的“缺陷”的对应物。在无序系统中这种所谓的“柔软性”能够有效预测缺陷的位置，缺陷的位置是材料失效时最有可能发生改变的颗粒集合。
研究人员们使用了一种由宾夕法尼亚大学的博士Durian和哈佛大学博士EkinDogusCubuk（现两人都就职于Google brain）联合研发的技术。参与此项研究的人员还有：宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的物理学教授Andrea Liu，哈佛大学工程与应用科学学院的纯应用物理教授EfthimiosKaxiras等人。来自宾夕法尼亚大学的Daniel Strickland 和Robert Ivancic是该论文的第一作者，此外，第一作者还包括Cubuk和Schoenholz。
此论文是宾夕法尼亚州物质研究科学与工程中心（MRSEC）进行的多年研究的精华，该研究中心由物质结构研究实验室主办。Liu和Robert Carpick，John Henry Towne教授，宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系主任则是MRSEC中心的综合研究小组的联合负责人，该研究小组专注于无序填料机理研究。
该研究小组的十几名教职人员以及来自实验室的学生和博士后研究人员对这项研究都做出了贡献，并提供了15种不同类型无序系统的模拟和实验数据。这些系统中的粒子大小不等，包括从构成耐磨发动机涂层的碳原子到模型河床中的厘米大小的塑料球等。
具体研究过程
研究人员使用机器学习收集了数百个数据，这些数据表征了每个系统中粒子的排列方式，这些数据可能不会揭示太多的粒子相关信息。但重要的是，他们发现这些数据的组合与动力学密切相关，这产生了称为柔软性的微观结构特性。如果已知柔软度，则可以预测无序材料的行为以及其组成颗粒重新排列的可能性。
研究中出现的二维颗粒状系统的图像。
蓝色显示的区域过于拥挤，绿色显示的是在拥挤的区域之下，红色显示了研究人员在试图理解的一种短暂的剪切带。
图片来源：美国宾夕法尼亚大学
研究人员研究的体系由于随机的热波动或施加不同类型的应力（如挤压或拉伸）而得到了重新排列。在所有情况下，该技术都体现出了高度的有效性，研究人员能够高精度地预测系统重新排列的可能性。
研究人员随后将系统的属性进行了比较。他们发现与柔性相关的长度与重排的尺寸相同，或者与发生失效时移动的颗粒数量相同。但值得注意的是，不管这些粒子的大小以及它们之间发生如何的相互作用，研究人员发现这个数字在所有系统中几乎是相同的。
“人们一直在谈论40年来无序固溶体中局部重排的大小，”Liu说道：“他们推测了局部缺陷，并且将其称之为剪切变形区域，他们认为在这些区域中可能会发生原子的重排，但是却没有人能够证实这一点，所以他们无法预测出重排的可能性。在机器学习的过程中，我们说，让我们来尝试研究这个系统，让我们试着看一下重组情况以及结构变化，看看我们是否能够找出一些重要的信息，然后利用这些信息。这些在概念上是非常简单的，但事实证明结果却是非常震撼的”。
研究人员还测量了屈服应变，以及在开始发生塑性变形之前固体的形变量。他们还发现，对于所有无序的固体，在机械刚度的13个数量级上，所有无序的固体颗粒的屈服强度几乎是一样的。相比之下，不同晶体材料的屈服应变则可以变化百倍甚至千倍。
研究人员已经证明，在施加一定压力的时候，所有这些系统看起来都是非常接近的。现在，该项研究的下一步计划是在工程和应用科学学院以及机械工程和应用力学的Durian和Paulo Arratia教授的共同带领下继续研究，他们的目标是在屈服强度以上对系统进行继续研究，这时候所有结构都变得混乱，系统开始变得非常不同。
Durian说：“当发生重排时，附近颗粒的柔软度都会发生变化，但由于长距离的弹性耦合作用，颗粒的柔软程度可能相差较多，这一点可以用数据说明。因此，重排对于下一次重排可能发生的位置有着重要的影响，特别是是否会刺激附近的重新排列，从而促进剪切带的发展，还是会阻止附近的重新排列，从而促进韧性？我们相信，充分理解并最终控制重新排列、压力和结构之间复杂的相互作用——在这里主要通过柔韧度来量化——是提高材料韧性的关键。
展望
如果研究人员能够理解为什么不同的系统在屈服时会表现出不同的行为，那么他们就能够更好的控制系统柔软度以及推测系统在压力下如何发生演变。这可能会促进更坚固的涂层和材料的发展，比如生产出更耐用的手机玻璃屏幕等。
“无序固溶体具有很多优良的性质，”Liu说道：“你可以将它们塑造成任何你想要的形状，或者创造出原子性光滑的表面，这对晶体系统来说是无法做到的，但是它们容易破碎，如果我们能够理解什么是控制/防止这些系统发生破碎的因素，这些概念才开始有了真正的价值应用。理想情况下，我们希望能够开发出新的、更坚韧的材料，这些材料不会具有很大的脆性或者不会在受到撞击时发生灾难性的破坏。”
译者：Vince
译自：phys
