玻璃是我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中不可或缺的重要材料，脆性是玻璃最突出的特征之一，災(zāi)難性的脆性斷裂也制約了玻璃的更廣泛應(yīng)用。對玻璃失穩(wěn)斷裂機(jī)理的研究不僅關(guān)乎玻璃自身力學(xué)性能的優(yōu)化，也對認(rèn)識無序系統(tǒng)的力學(xué)失穩(wěn)提供科學(xué)指導(dǎo)。傳統(tǒng)玻璃態(tài)材料（如氧化物玻璃）被認(rèn)為是理想的脆性材料，根據(jù)經(jīng)典的固體斷裂力學(xué)理論，其脆性斷裂是通過原子鍵的依次斷裂進(jìn)行，而不發(fā)生原子的塑性流動。但是，近年來不少研究提出了傳統(tǒng)脆性玻璃也有可能在微觀尺度上發(fā)生塑性流動的觀點。關(guān)于玻璃斷裂時能否發(fā)生塑性變形一直是學(xué)術(shù)界長期爭議的基本科學(xué)問題。

 

玻璃家族的新成員，金屬玻璃（又稱非晶合金）不但具有優(yōu)異的力學(xué)性能，也是研究玻璃態(tài)材料失穩(wěn)斷裂的模型體系。金屬玻璃斷裂表面上可以呈現(xiàn)出豐富的、多尺度的圖案特征。如近年來在許多金屬玻璃的斷面上發(fā)現(xiàn)了納米尺度的周期性條紋。對這些斷面特征的研究不僅挑戰(zhàn)了人們對傳統(tǒng)的斷裂理論的認(rèn)識，也揭示了遠(yuǎn)離平衡態(tài)的無序固體體系力學(xué)失穩(wěn)的復(fù)雜性和有序性。斷面圖案特征的形成必然和裂紋在玻璃固體中的形成和擴(kuò)展過程密切相關(guān)。但觸發(fā)災(zāi)難性脆斷的裂紋是如何起源，又是如何擴(kuò)展的？這已經(jīng)成為非晶態(tài)物理和材料領(lǐng)域內(nèi)亟需回答的根本性問題之一。近年來，大量的理論和模擬工作預(yù)言了金屬玻璃斷裂過程中的空穴（cavitation）行為，意識到空穴形成可能是主導(dǎo)金屬玻璃甚至其他非晶體系失穩(wěn)斷裂的潛在機(jī)制。空穴化或孔洞聚集是塑性材料延性斷裂的典型特征，但是否存在于以金屬玻璃為代表的玻璃態(tài)材料的宏觀脆性斷裂中尚未得到確切的實驗證實。

 

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX4組博士生沈來權(quán)（現(xiàn)為松山湖材料實驗室博士后）在白海洋研究員、孫保安副研究員和汪衛(wèi)華院士的聯(lián)合指導(dǎo)下，首次實驗證實了玻璃材料斷裂的空穴失穩(wěn)機(jī)制。基于自主設(shè)計的傾斜壓痕斷裂方法，結(jié)合原子力顯微技術(shù)實現(xiàn)了對金屬玻璃裂紋擴(kuò)展的高精度測量，在國際上首次實驗觀測到金屬玻璃裂紋尖端的空穴化，揭示出空穴主導(dǎo)的裂紋擴(kuò)展機(jī)制，呈現(xiàn)了以納米孔洞形核、長大、連接有序進(jìn)行的裂紋擴(kuò)展方式（圖1）。

 

圖1.金屬玻璃中空穴主導(dǎo)的裂紋擴(kuò)展機(jī)制。裂紋擴(kuò)展以納米孔洞的形核、長大、連接有序進(jìn)行

 

另外，實驗給出了裂紋形貌由離散的孔洞到周期性納米起伏結(jié)構(gòu)的演化過程（圖2），闡明了金屬玻璃斷裂表面上觀察到的周期性納米條紋形貌的起源，即斷裂過程中有序進(jìn)行的空穴行為。

 

圖2.裂紋形貌由分立納米孔洞到周期性納米起伏結(jié)構(gòu)的演化

 

更進(jìn)一步的觀測發(fā)現(xiàn)對于典型的高分子玻璃（塑料）和氧化物玻璃（二氧化硅）均可表現(xiàn)出空穴失穩(wěn)誘導(dǎo)的斷面周期性納米結(jié)構(gòu)（圖3），說明了不同玻璃體系斷裂行為的共性和空穴失穩(wěn)機(jī)制的普遍性。所揭示出的隱藏在玻璃災(zāi)難性斷裂下的納米空穴化現(xiàn)象也澄清了學(xué)術(shù)界的長期爭議，明確了玻璃材料宏觀脆性斷裂過程中納米尺度塑性流動的存在。

 

圖3.高分子玻璃和氧化物玻璃中空穴行為誘導(dǎo)的斷面周期性納米結(jié)構(gòu)圖案

 

玻璃斷裂的空穴行為的發(fā)現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)觀念中對玻璃固體脆性斷裂的固有認(rèn)知，為理解非晶態(tài)材料等無序復(fù)雜體系的力學(xué)失穩(wěn)奠定了實驗基礎(chǔ)，也為優(yōu)化設(shè)計玻璃材料的力學(xué)性能提供了新思路。

 

相關(guān)研究結(jié)果于3月31日在Science Advances上線發(fā)表。沈來權(quán)博士為論文的第一作者，白海洋研究員和孫保安副研究員為論文的共同通訊作者。上述研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDB30000000)，國家自然科學(xué)基金(52001220,51822107,11790291,61999102，61888102)，國家重點研發(fā)計劃(2018YFA0703603)和廣東省自然科學(xué)基金(2019B030302010)等的資助。