在晶體中，原子有序地排列而形成晶格。當受到較小的外力作用時，晶體產生可逆的彈性形變：外力去除后，晶體的應力和應變等宏觀量以及微觀原子排列都恢復到初始狀態。只有當外力超過彈性極限的時候，晶體才會呈現不可逆的塑性形變。塑性形變發生時，原子位置發生重排。基于晶體的彈性行為，物理學家發展了聲子模型等描述晶格動力學的理論。
和晶體不同，在非晶固體中，原子呈無序排列。非晶固體包括了大量日常生活中常見的物質：如玻璃、塑料、顆粒材料、泡沫、凝膠、膠體等。這類物質在外力作用下的反應是怎樣的？基于晶體的彈性理論是否適用于非晶固體？
為理解這些問題，中國科學院理論物理研究所副研究員金瑜亮及其合作者用計算機模擬的方法研究了非晶固體硬球模型的彈性和塑性行為。研究結果已發表于Science Advances, Vol. 4, no. 12, eaat6387(2018)。其結果展示，傳統彈性圖像不適用于非晶固體。當非晶固體受到微擾時，只有應力和應變等宏觀量是可逆的，原子的微觀排列并不一定可逆。熱力學極限下，只需要無窮小的功就可以使非晶固體從一種原子排列的無序構型轉變為另一種無序構型。因此，這類非晶固體處于邊際穩定狀態。該研究揭示了非晶固體的邊際穩定態和理論物理學家最近提出的Gardner相變有關。
此工作的研究者們進一步建立了一個統一地描述硬球非晶固體模型的彈性、塑性、屈服和阻塞等性質的相圖（見下圖）。根據該相圖，非晶固體在體積應變和剪切應變下存在兩種典型反應。在相圖的穩定區(stable)，非晶固體具有和晶體類似的可逆彈性。在相圖的邊際穩定區(marginal)，非晶固體不具有純粹的彈性——在任意大小的微擾下，體系都不可避免地發生塑性形變。
該工作揭示了非晶固體和晶體的力學性質在微觀機制上存在本質不同。物理學家有待于發展一套更普適的固體力學理論。同時，此研究成果也對開發新一代力學材料（如金屬玻璃等）有一定啟示作用。
論文合作者包括日本大阪大學教授Hajime Yoshino（吉野元），法國巴黎Saclay大學研究員Pierfrancesco Urbani，以及法國巴黎高等師范學院教授Franceco Zamponi。
該研究得到中科院率先行動“百人計劃”的資助。
描述硬球非晶固體模型穩定性和可逆性的剪切應變-體積應變相圖
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