软物质体系的Jamming研究取得重要进展

中科院软物质化学重点实验室、合肥微尺度物质科学国家实验室和物理系的徐宁教授研究组通过长期的尝试和大量的统计计算,在Jammed固体屈服应力的计算和点J的临界性的研究中取得了重要进展。该研究的论文发表于4月11日的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 112, 145502 (2014)],并被选为编辑推荐(Editors’ Suggestion)的论文。

具有纯排斥相互作用的胶体、颗粒物质、泡沫等软物质体系在堆积密度增大时会由无刚性的Unjammed体系转变为有刚性的Jammed非晶固体,零温状态下该Jamming转变对应的密度轴上的点被称为点J。点J处的Jamming转变呈现出新奇有趣的相变行为,同时具有连续和非连续相变的混合特性,因此不能简单归属于已知的相变类型。点J的临界性在过去十年中得到了广泛的关注,人们从不同的角度探讨了该临界性,然而,和通常的临界现象不同的是至今没有直接观测到发散的静态关联尺度。作为研究非晶液-固转变最简单的模型,点J处的Jamming转变已经成为软凝聚态物理的研究热点,并被许多研究领域借用来理解非晶固体的形成。

Jammed固体在外加剪切应力超出其屈服应力时也会发生Unjamming转变而形成剪切流,如何确定屈服应力是非晶固体材料特性研究的一个焦点。从势能图景(Potential Energy Landscape)的角度看,固体的屈服应力应该是固体能稳定存在的最大应力,数值上应该能够通过寻找恒定剪切应力下势能图景中的稳定固态来测量。然而,快速寻找恒定剪切应力下稳定固态的数值方法依然缺乏。


该研究组的博士生刘浩、本科生谢晓宜和徐宁教授提出了一个类热力学函数焓的能量函数,可以通过最小化该函数来快速得到给定剪切应力作用下的固体。通过大量的统计,他们确定出了在恒定剪切应力下寻找到Jammed固体的几率,并由此几率随剪切应力的变化给出了Jammed固体的平均屈服应力和其不确定度。由此方法确定出的Jammed固体屈服应力随体积分数的变化呈现出有限尺度效应,并满足有限尺度标度。该有限尺度标度表明在点J处屈服应力为零并存在发散的关联尺度,从而提供了点J临界性的又一有力证据。有趣的是,该关联尺度的标度指数并不仅仅适用于屈服应力。其它一系列在Jamming转变中呈现出临界标度的物理量都满足有限尺度标度,并且都有同样的关联尺度标度指数。因此,该研究中发现的关联尺度应该具有鲁棒性。此外,通过比较准静态剪切和文章所述新方法获得的剪切应力作用下的Jammed固体的性质,他们发现准静态剪切倾向于寻找势能低的固体态,这为获得超稳玻璃提供了一条简单可行的途径。审稿人评论说:“这是一项极度有抱负的工作。 吸引人的是,作者看来发现了一个真正可以象平衡体系中的热力学函数一样描述非平衡体系的函数。这是一个很重要的结果,将会极大地推进Jamming及非平衡态统计物理的研究。该方法很新,而且可能会开启剪切作用下的Jamming转变研究的新途径。”

这项研究得到了基金委、科技部、中科院和教育部的支持。