航空学院丁彬副教授在PNAS发表非晶固体力学理论研究成果

近日，航空科学与工程学院丁彬副教授联合清华大学高华健院士、李晓雁教授，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了题为“A structural disorder function linking local symmetry breaking to plastic indicators and strength in amorphous solids”的研究论文，其中丁彬为第一作者、共同通讯作者。该论文提出了适用于非晶固体的结构描述符，量化了非晶固体中的结构无序程度，并且与宏观剪切强度建立了线性关系。

建立非晶材料的结构-性能关系是材料力学科学的核心挑战之一。与晶体的伯氏矢量描述位错不同，非晶固体缺乏类似的描述“缺陷”的量化工具。针对此，研究团队提出了结构无序函数S_d(r)定义为:对每个原子，将其周围特定距离内所有邻居的相对位置矢量求和，取模并归一化。在晶体中，与伯氏矢量描述周向对称性破缺类似，S_d(r)描述了径向对称性破缺；而在非晶中，S_d(r)的偏移量直接量化了局部原子无序度（图1）。

图1. A. S_d(r)的定义示意图。S_d(r)与伯氏矢量在不同原子环境下的对比: B.完美晶体。C.螺位错。D.非晶固体。

为了验证S_d(r)的物理有效性，研究团队基于分子动力学模拟和胶体颗粒实验，在多种典型非晶体系中，系统建立了S_d(r)与原子尺度塑性指标（包括振动均方位移、柔性体积、原子刚度及振动频率）之间的关联。分析类液和类固原子的S_d(r)曲线的差异，得出类液原子在曲线的第一个波谷处的S_d(r)值均明显高于类固原子，证实S_d(r)的物理可解释性：S_d(r)越大，结构无序程度越高。

进一步，研究团队将S_d(r)进行空间平均，定义了全局无序度⟨S_d⟩。剪切模拟显示，⟨S_d⟩能反映结构演变，且与冷却速率呈单调正相关，比传统的自由体积更为普适。参照泰勒硬化定律，⟨S_d⟩与剪切强度τ_p存在明确的负线性关系：

τp=A-BSd (1)

⟨S_d⟩扮演类似晶体中“缺陷密度”角色，其值越大，结构越无序，强度越低。该关系在不同体系中普适成立，为通过调控加工历史定量设计非晶材料性能提供了理论依据。

这项工作为非晶固体建立了一个类伯氏矢量结构指标，对于理解非晶固体的力学性能具有重要意义。论文的第一作者兼通讯为丁彬副教授，共同通讯还有清华大学高华健院士和李晓雁教授。学生第一作者为硕士生吴迅，合作者包括硕士生黄思怡，姜雨萱以及北航机械工程及自动化学院徐晔教授。该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

原文链接: www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2532235123

作者简介：丁彬，北航航空科学与工程学院副教授，博士生导师，中国力学学会微纳米力学工作组组员、塑性力学专业组组员、断裂与疲劳专业组组员。获王仁青年科技奖、ICCES Outstanding Young Researcher Award、中国科协青年人才托举工程、北京市科协青年人才托举工程、小米青年学者、获中国力学学会优秀博士论文提名等荣誉。2017年于清华大学获固体力学专业博士学位，导师高华健院士。曾任美国布朗大学博士后、新加坡A*STAR高性能计算研究院研究员。2020年起任北京航空航天大学固体力学所副教授。研究领域为微纳米力学、断裂力学、机器学习，主要方向为电极材料、电极电解质异质界面、晶体硅太阳能电池薄膜、非晶合金等非均匀材料/结构的力学行为、断裂机制、应力效应与构效关系。在JMPS、PNAS等相关领域旗舰期刊发表SCI论文40余篇，主持国家自然科学基金面上、青年基金等项目。欢迎同学报考本课题组硕士、博士研究生，有意者请联系邮箱：bin_ding@buaa.edu.cn

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