近日，上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院张洁课题组与合作者在颗粒物质的屈服转变的研究中取得了重要进展。他们通过多种分析方法，系统性地表征了屈服转变的统计物理性质和力学性质。这项研究指出了颗粒物质的屈服转变具有临界性，并且在屈服点上力学是边缘稳定的。这项研究成果以“The yielding of granular matter is marginally stable and critical”为题发表在《美国科学学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。

研究背景

在剪切力的作用下，非晶固体会经历屈服转变，从一个类似固体的状态转换到一个类似液体的状态。这个现象广泛存在，在土木工程、材料科学、地球科学、食品工业和生物物理学等多个领域都有应用。同样，非晶材料也能够经历阻塞转变，通过快速冷却、致密化或剪切从类液态转变到类固态。这引出了一个关键的问题：这两种重要的转变是否存在一些相同的，仍未探索的普适特征？这些特征能够帮助人们更好地理解实验中的各种现象。

研究方法

这项研究中，研究团队通过一个双轴剪切装置对不同密度的准二维圆盘形颗粒堆积施加面积不变的准静态纯剪切。利用高精度的图像处理技术和光弹性测力技术测量颗粒的位置和颗粒间的相互作用力，得到颗粒系统内部的微观结构信息。

研究结果

研究团队通过三种不同的方法和应力-应变曲线，全面分析了屈服点的特征。不同密度的系统的应力-应变曲线在屈服应变有最大值，随后减小并最终稳定。为研究屈服点的性质，研究者首先定义了一种玻璃态重叠度序参数和相关的关联函数和极化率。屈服点处极化率的峰值以及发散的关联长度表明了屈服转变临界性。其次，颗粒的真实平均接触数与力学稳定性所需要的颗粒接触数恰好在屈服点为零，说明了屈服转变的力学边缘稳定性。这与从弱接触力和颗粒间小空隙的幂律分布指数相关的稳定性不等式得出的结论完全一致。

总结

这些结果给出了充分的证据，说明特定的结构参数能够分辨屈服现象的特征。结果说明颗粒物质的屈服和各向同性阻塞均具有边缘稳定性和临界性的特征。但需要注意的是，屈服的结构参数表现出了明显的各向异性，与各项同性阻塞转变不同。

上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院张洁教授为通讯作者。第一作者为张洁课题组博士研究生尚进，合作者有东京大学博士后汪银桥，中科院理论物理所潘登助理研究员和金瑜亮研究员。本项目获得了国家自然科学基金委员会、上海市教委科研创新计划、中国科学院、温州研究所、上海交通大学博士发展奖学金和上海交通大学学生创新中心的支持。

论文连接：The yielding of granular matter is marginally stable and critical | PNAS