自剪切使带疤痕的奇异奇数晶体重entrant熔化

当旋转颗粒表现出反常行为

想象一张桌面上摆满了微小的陀螺玩具，在一个圆形围栏内旋转并相互碰撞。你可能会以为它们要么最终排列成有序图案，要么永远保持混乱。本文展示了更为奇特的现象：通过仔细调控顺时针与逆时针旋转的陀螺数量比例，同一群拥挤的颗粒可以在不改变粒子总数的情况下凝结成晶体、再次熔化为流体，甚至在内部发生自我剪切。由此揭示了简单受驱动的物体能够模拟甚至超越普通固体和液体行为的一种新途径。

由形状与缺陷内置的挫折

研究者们使用数千个毫米尺度的“颗粒陀螺”：采用倾斜支腿的三维打印圆顶颗粒，放置在振动的平板上。垂直振动使每个圆顶旋转，方向取决于支腿的倾斜方向。由于其接触足迹是圆形，这些陀螺可以像紧密叠放的硬币那样排成规则的三角格子。但研究团队将它们限制在一个圆形容器内，这种几何无法被该晶格完美铺满。因此，不可避免地出现了缺陷——即多出的或缺少的邻居。在较大的系统尺寸下，这些缺陷会聚集成短的串状结构，称为晶界疤痕，它们穿过本应有序的晶体，并被总体几何所固定。

用手性放大奇异行为

关键的控制参数是组装体的“手性活性”——即对顺时针或逆时针旋转的净偏好。当两种旋转数目相等时，平均力矩为零；当一种占优势时，系统产生强烈的内部扭转力，将压缩与旋转耦合在一起。这正是所谓奇异弹性材料的特征，它们同时打破镜像对称性和时间反演。通过在保持整体占地面积不变的情况下改变顺时针陀螺的比例，团队可以在几乎被动到强烈活跃之间调节奇异机械响应，而不改变填充密度。随后他们用高速成像和数值模拟绘制内部结构与流动模式如何响应这一调节。

一个熔化、重结晶然后再熔化的晶体

在接近硬盘常见固-液边界的代表性密度下，作者们观察到显著的再入转变。没有净手性时，内部表现为高密度液体，仅有短程有序。在中等净手性时，容器内部的主体区域突然成为几乎完美的单晶，这一点可通过很高的六角键序参量来量化。进一步增加偏置又使该晶体重新熔化为类液体状态，尽管单位面积的粒子数保持不变。对粒子沿半径方向分布的测量显示，手性活性会重新分配密度：旋转碰撞产生的奇异应力可根据粒子自旋方向与大尺度流动的相对关系，要么挤压主体促使结晶，要么拉开主体导致熔化。

自我剪切与疤痕的作用

为了解流动与结构的联系，团队分析了同心环带中粒子的旋转速率。在传统的旋转颗粒固体中，边缘流通常会带动整个系统作刚体旋转。在这里，情况有所不同：在某些手性值下，外层沿一个方位方向滑动而内部朝相反方向流动，作者将此现象称为自我剪切。流动方向的急剧改变恰好发生在晶界疤痕所在之处。这些缺陷链在局部降低了密度和摩擦耦合，充当了一个弱的滑环，将边界与主体解耦。模拟结果证实，疤痕对应于跨层传递的阻抗力矩的极小值，表明受几何控制的缺陷模式可以引导并重塑由活性驱动的流动。

为什么这种奇异熔化重要

对非专业读者而言，关键的信息是：我们如何约束和“挫败”一种活性材料，其重要性可以与材料本身的构成相当。通过设计容器的形状和尺寸，科学家们可以种下稳健的缺陷结构，从而引导运动、应力，甚至驱动颗粒体系的相变。在这项工作中，受限产生的疤痕与手性旋转相互作用，使不同区域被压缩或膨胀，随着顺时针与逆时针陀螺混合比例的变化，晶体可在不改变密度的情况下固化、液化再固化。这种在固定密度下对流动与刚性的可控性，暗示了未来可能出现仅由内部活动和巧妙几何驱动的可切换固-流态材料、可重定向的传输体系，或按需执行机械任务的结构。

引用: Tiwari, U., Arora, P., Sood, A.K. et al. Reentrant melting of scarred odd crystals by self-shear. Nat Commun 17, 1802 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68510-4

关键词: 活性物质, 颗粒陀螺, 拓扑缺陷, 奇异弹性, 重entrant熔化