无序与亚稳态之间的联系 日本科学家找到办法量化了！

材料牛注：生活中有很多结论是我们一直在使用，但是从来没有被证实过。在科学界也存在不少这样的事情，比如我们熟知的颗粒材料中无序和亚稳态的关系。但近期日本科学家研究出了量化表达它们联系的方法。

知道某事和能够去证明某事是存在很大差别的。即使在科学界，也存在一些大家都知道但却没人能证明的理论。颗粒材料中的无序和亚稳态就是这样一种情况，直到有三个研究员设计了一个实验去测量两者之间的关系。

来自冲绳科学技术大学院大学的Bandi教授和名古屋大学的Naoki Iikawa和Hiroaki Katsuragi近期在杂志Physical Review Letters上发表文章，首次测量并量化了由无序诱发的亚稳态。Bandi说道：“大家都知道会有这个结果，但是在我们之前没有人能够找方法来测量颗粒材料中无序和亚稳态的关系。”

亚稳态是物理系统中涉及能量水平的一个概念。当一个物理系统是稳定的，它就只有一个最低的能量。当它变化时，就像水桶落入井中一样，总会停在同一低能状态。

然而，有些物理系统却类似在底部有很多水池的井。当水桶在这样的井中下落时，是不可能准确预测它会落在哪个水池的。另外，如果水桶被重新举起到任何高度后再重新放下，它可能落在不同的水池。这种物理系统就是亚稳态：系统的最低能量既不是唯一的也是不可预测的。

亚稳态和无序的关系是难以捉摸的，因为传统的测量方法用于颗粒体系去测量亚稳态是不够灵敏的。Bandi和他的同事之所以能成功是因为他们跳出了这个禁锢。他们借用了物理学分支——液晶物理的一个参数“S”（有序度）。他们认为S可以被用来探测颗粒体系中力的方向。这种力被称为力链，是由颗粒间接触引起的力网。力链赋予了颗粒体系某些特殊的物理性能。科学家们一般借助光弹性光盘（一种受压时会产生变形的光敏材料）来探究力链。

当确定了有序构型中S值不会发生变化后，科学家们制备了一种随机构型的光弹性光盘，并把两个直径不同的光盘插入一个垂直结构中。在这种构型下，力链可以指向任意方向。Bandi回忆道：“接着，我们沿着竖直方向轻轻敲打这个结构。”

光盘的构型保持不变，但是力链的方向慢慢从重心方向转向所有随机的方向。科学家捕捉住这个过程的高分辨图像。这些图像显示了正在改变的力链，接着科学家把视觉信息转化为数字，计算得到的S值证明了力链的变化，最终证明了颗粒体系间无序（由敲击引起）与亚稳态间的联系：每次敲击后体系将在不同亚稳态间变化，就像水桶每次抬起又放下后落入不同的水池。

虽然结果在大家预料之中，但是S值（来自液晶物理的参数）的引入为颗粒材料的研究带来了新启发。过去科学家们更多的关注颗粒材料的结构，而S值的出现使人们的视线聚焦到颗粒材料内部力链的方向上。这样他们可以有新的方法去描述颗粒材料的无序及亚稳态，从而有望带来关于颗粒材料的新认识。

原文链接：The Proof is in the Pudding

本文由新锐丁旺旺翻译，张艺审核，感谢顾玥提供素材！！