含有活性颗粒掺杂的非晶固体中的可调屈服强度与新兴流变特性

《Nature Communications》：Tunable yielding and emergent rheology in amorphous solids with active particle doping

　　

摘要

机械性能稳定的玻璃，尤其是经过良好退火处理和具有超稳定性的玻璃，通常会因剪切带的形成而发生脆性断裂。这种局部化现象是退火过程的必然结果，还是可以通过动态方式控制，目前尚不清楚。我们通过向非晶固体中掺入能够进行随机运动或主动布朗运动的粒子来解决这一问题。通过对多分散模型的大量模拟，我们发现剪切带的形成与传播取决于三个时间尺度之间的竞争：施加的剪切时间\(1/\dot{\gamma }\)、粒子的活性持续时间τ_p，以及剪切带贯穿整个系统的固有时间。当粒子活性持续时间较短时，主动掺杂会逐渐将一个贯穿整个系统的剪切带转变为多个剪切带网络，此时材料的屈服应力与屈服应变会持续增加，而剪切带之间的间距则会随活性力的增加而按幂律关系减小。有趣的是，我们发现活性力与整体剪切率之间存在一种普遍的补偿关系：其中一个参数的增加会抵消另一个参数的下降，这一现象源于不同力-应变率组合下的类似同构行为。此外，我们还发现材料的屈服行为与活性持续时间之间存在非单调关系：在活性力较小时，随着活性力的增加，屈服应力会上升；而在活性力较大时，屈服应力则趋于下降。在蠕变过程中，活性力的增加会降低稳态应变率，延缓材料流变，从而使这种补偿效应延伸到受应力控制的区域。这些研究结果表明，脆性玻璃中的剪切局部化现象并非完全由制备过程决定，而是可以通过内部活性作用进行动态调整，这对理解和调控生物体及合成活性物质中的屈服行为具有重要意义。