活性退火促使非晶固体发生延展性向脆性的转变机制揭秘

非晶固体作为一种无长程有序结构的材料体系，其力学性能一直备受科研与工程领域关注。与晶体材料相比，非晶固体的结构缺少周期性，并且具有丰富的局部多样性，使其在外界载荷作用下表现出复杂的变形和破坏行为。特别是在活性力学领域，近年来研究发现，内源性或外源性的活性动力学过程能够深刻影响非晶固体的结构演化及其力学响应，从而导致材料性能巨变。活性退火（Activity annealing）这一过程指的是通过活性粒子自我驱动产生的局部扰动，促使非晶固体结构在能量景观中下探到更稳定的低能态，达到局部的“热处理”效果。本文重点解析活性退火如何引导非晶固体从延展性（ductile）状态转变为脆性（brittle）状态，以及这一转变背后复杂的微观机制和宏观表现。活性力的引入，使非晶固体结构经历一种特殊的动力学演化，与传统的热退火或机械循环退火不同，其动力学参数如活性大小和持续时间直接调控系统能量态及力学性质。

模拟和实验均显示，通过调整活性强度，材料能够经历明显的力学性能变化，尤其是延展性向脆性的转变。脆性材料容易在应力集中处快速破裂，具有较小的塑性变形，而延展性材料则显示出更为均匀且缓慢的变形行为。活性退火在这一转变中的关键作用源于它加速了材料内“软斑”（soft spots）或剪切转变区的演化，这些局部区域会影响整个材料的应变分布和失效模式。活性退火能够有效地降低非晶固体的内在能量，增强其结构稳定性，然而过度的退火致使材料变得更加脆弱。一方面，能量的降低意味着更深的局域势阱，从而减少了塑性变形所需的自由体积和转变通道；另一方面，这使得材料在受力时更倾向于集中局部应变，促进剪切带（shear band）的形成和扩展，进而引发断裂。剪切带的形成是非晶材料脆性断裂的重要特征，而活性退火调控了剪切带的形成条件及其空间演化规律。

样品的几何形状、活性粒子的动力学特性如持续时间和驱动力强度都显著影响剪切带的稳定性和宽度。对于一定的活性参数，材料更容易出现清晰的剪切带，从而表现出脆性失效，而改变这些参数则可以实现对剪切带形态的抑制或增强，进而调控材料的失效模式。这一机制不仅丰富了非晶固体的微观力学行为理解，也为设计具备可调延展性和韧性的智能材料提供了理论基础。活性退火产生的力学硬化现象同样在生物组织中得到了呼应。许多生物组织由于内在的细胞运动和代谢活动，表现出类似于活性退火的行为。这类组织随着年龄增长或环境变化，其活性水平和结构排列发生改变，导致组织刚度逐渐提高，失效模式转向更加脆裂的形式。

例如，上皮组织在活性退火机制的调控下，其细胞排列趋于紧密和规则，力学性能随之发生从柔韧到刚性的演化。通过对非晶固体活性退火引发的力学性能转变进行深入研究，可以帮助科学家理解生物材料中的力学老化和疾病相关的组织刚化现象。此外，活性退火揭示了活性系统中记忆效应的存在，即材料能够“记住”其经历的活性强度，表现出对活性参数的响应依赖性。这种记忆效应不仅影响结构演化路径，也影响最终的力学表现，提示活性材料在设计自适应和智能响应功能上潜力巨大。先进的分子动力学模拟利用二元Kob-Andersen模型结合自驱动粒子力学，精细描绘了活性动力学参数如力强度f0和持久时间τp对非晶固体能量景观的影响规律。研究表明，活性退火推动材料进入低能态区域，表现出增强的结构稳定性和导致脆性的趋势。

该模拟还揭示了活性系统对应外部循环剪切系统的类比，二者均表现出退火过程和临界屈服行为的相似性，进一步证实了活性动力学在非晶固体中的深刻物理意义。理解材料中活性退火引发的性能转变，尤其是从延展性到脆性的转变，对于生物医学工程、柔性电子、生物材料设计等领域具有重要推动作用。通过精准控制活性参数，可以调控材料结构稳定性和失效模式，设计满足特定应用需求的多功能智能材料。同时，该研究为解开生命系统中细胞与组织级别的机械调控提供了物理视角，助力生物力学与材料科学的交叉融合。未来的工作应关注更多维度的活性动力学调控，如温度、活性粒子间相互作用、环境复杂性等对退火效率和应力响应的影响，以实现更加全面的性能调节和材料功能化。此外，探索多重记忆编码及持续性问题，将进一步丰富活性非晶材料的物理理论和实际应用。

综上所述，活性退火作为一种新兴的调控机制，为非晶固体的结构优化和力学性能演化提供了全新视角。通过活性动力学的合理利用和控制，不仅可以实现从延展性向脆性材料性能的可控转变，也能够揭示复杂活体材料内部调节力学性能的潜在原理，推动功能材料和生物材料的前沿发展。