2022年2月1日，国际著名学术期刊《NatureMaterials》在线发表了上海交通大学材料科学与工程学院尖端物质结构研究中心团队宋双喜博士、朱凡博士及美国约翰霍普金斯大学材料系陈明伟教授的研究成果“Universalscalinglawofglassrheology”。该研究通过原创的超宽时间、应力尺度实验设计首次测得室温下金属玻璃流变的全频响应及应力松弛图谱，并进一步发现各种玻璃态物质都遵循相同动力学参量驱动的流变转变定律，提出了玻璃流变的普适标度率，颠覆了人们对玻璃是固体的传统认知。该研究论文上海交通大学为第一单位，宋双喜博士为第一作者，陈明伟教授为通讯作者。
玻璃是我们日常生产生活中不可或缺的重要材料，它既具有固体的一部分特征，也具有液体的一部分特征，玻璃的本质是长期困扰凝聚态物理和材料学界的一个难题。玻璃无序的原子结构与液体非常类似，因此很久以前就有人提出过玻璃本质可能更接近液体而不是固体的假设。原则上，玻璃的本质可以通过在一个很大的流变速率范围内的动态响应来表征，如何在实验上定量实现这种表征是具有挑战性的科学难题。尖端物质结构研究中心团队通过巧妙的动态纳米力学实验设计，实现了9个数量级的超宽时间尺度表征金属玻璃在室温下的应力-应变速率响应（图1），获得了从牛顿流体向非牛顿流体、多体相互作用、协同剪切转变的流变行为（图3）。通过与其他实验结果比较发现，金属玻璃流变的动态响应与其他诸如高分子聚合物、硅酸盐玻璃、胶体溶液、蛋黄酱、蕃茄酱等乳剂，火蚁聚集体、砂石颗粒等无序体系在一个流体动力学框架内遵循同样的一个普适标度率（图2），定义了液体行为（ẏηNV/3kTg<1）与类固体行为（ẏηNV/3kTg>1）的分界判据，揭示了热激活主导的牛顿流体向应力驱动的协同剪切塑性流变转变发生于（ẏηNV/3kTg=1）。这一无量纲普适标度率全面验证了玻璃态物质的动力学转变相图（图3）。通过此普适标度率推导出的玻璃动力学相图，可以将各种“玻璃”的动态行为统一到一个由温度、体积、应力组成的热力学变量参数评价规则下（图3）。本研究成果对理解玻璃态物质的本质提供了重要思路，所提出的普适标度率对设计高性能“玻璃”材料及实际应用提供了重要的科学指导。
图1 宽频流变实验设计及金属玻璃室温流变行为的表征结果
图2 金属玻璃及其他各种“玻璃”材料流变行为的归一化及普适标度率
图3 普适标度率推导出的玻璃动力学相图与各类“玻璃”体系的实验结果
该研究工作获得国家自然科学基金创新研究群体、科技部重大基础研究计划（973）等项目支持。
宋双喜博士长期从事金属玻璃的微观结构与力学行为研究，参与了多项国家科研项目。入职以来，以第一或通讯作者在NatureMaterials、NatureCommunications、PRL、InternationalJournalofPlasticity等国际卓越学术期刊发表多篇论文，主持973项目子课题、上海市浦江人才计划等项目。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01185-y