在不同频率循环剪切下软颗粒层的机械退火

为什么摇动软珠能教我们固体物质的行为

金属、玻璃乃至一堆颗粒都可以通过精心控制的振动与弯曲变得更坚固或更有序，这一过程常被称为机械退火。本研究采用了一个简单但富有启发性的模型：在浅盒中受限的一层软水凝胶珠，轻微振动并节奏性地受剪切。通过改变盒子来回剪切的速度，作者展示了单纯的机械运动如何将系统从无序的玻璃态驱动到更类晶体的排列——也可逆转回去。他们的结果阐明了如何通过调整运动与应力来控制软且密集填充材料的内部结构。

为拥挤材料提供的桌面替身

研究者构建了一层二维的、由数百个相同的毫米级水凝胶球组成的样品。这些柔软、充水的珠子置于一个略有倾斜的振动板上，四周为可变形的矩形框架。振动使珠子像具有有效温度一样碰撞，倾斜使它们倾向在下边缘处沉降并堆积。电动执行器周期性地扭曲框架，施加缓慢的循环剪切——类似轻轻摇动并反复压缩这层颗粒。高速摄像使团队能够跟踪每个珠子并量化排列有多有序，关注多少局部邻域接近完美的六角排列——平面上同圆最密堆积的方式。

慢速剪切建立有序，快速剪切破坏它

首先，团队考察了仅靠振动能产生什么效果。在没有剪切的情况下，珠子逐渐松弛到部分有序的状态：紧凑的六角簇体增长，尤其在下边界附近，但从未完全占据整个层。当加入循环剪切后，情况发生变化。在非常低的剪切频率下——需要数分钟完成几次完整循环——该层会形成大而稳定的六角晶粒。无序区域被缓慢挤到一旁并推向边缘，随循环逐渐缩小。然而，随着剪切频率增加，这种机械退火逐渐失效。平均六角有序度从最慢剪切时约0.86下降到最快时约0.80，结构变得更多波动和零散。

从紧密堆积到松散流体样

为了衡量珠子堆积的紧密程度，作者估算了簇体内球体占据的面积分率。在低剪切频率下，层非常紧密：由于珠子柔软，被压在一起的程度甚至可以超过理想硬盘六角极限。随着剪切频率上升，填充分数稳步降低，趋近于随机松散阻塞态的典型数值。在中间频率附近，系统跨越了一个阈值，既不完全阻塞也不完全流体化：运动变得更容易，结构更无定形。这一趋势表明体系从以温和压缩与晶粒生长为主的状态，转向以持续重排和破坏为主的状态。

隐含的节律与类玻璃行为

团队还将随时间变化的有序度视为时间信号并用傅里叶方法分析，揭示出长程相关性。在纯振动下，该信号的行为几乎像白噪声：时间上无相关性。一旦在任何非零频率下施加剪切，功率谱便遵循特征性的幂律，表明重排具有历史依赖性和长寿命相关。通过被称为软玻璃流变学的框架解读这些结果，作者推断该颗粒层表现为一种软玻璃：对运动的响应主要是耗散性的，但在更强驱动下会出现缓慢增强的弹性分量。将剪切频率与每次剪切变形量绘制出的更广阔相图显示存在一个最佳“窗口”，在中等应变和相对较低频率下六角有序度达到最大。

用运动调控结构意味着什么

总体而言，这项研究表明，并不存在一条“剪切越多越好”的普适规则来组织拥挤的软材料。相反，循环变形的速率与幅度必须与单个粒子松驰其形状和接触的速度相匹配。缓慢且适度的剪切让系统能探索构型并沉降成致密、类晶体的区域，而更快的循环会过度搅动珠子，阻止有序域稳定并将层驱向更松散、更流体般的状态。这些从看似简单的珠子实验得出的见解，或能帮助工程师利用机械振动与振荡应力来调整软颗粒层、稠密悬浮液及其他无序材料的内部结构——从而改变它们的力学性质。

引用: Tapia-Ignacio, C., Fossion, R.Y.M. & López-González, F. Mechanical annealing in a soft granular layer under cyclic shear at varying frequencies. Sci Rep 16, 9067 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39600-6

关键词: 机械退火, 颗粒材料, 软水凝胶, 循环剪切, 阻塞转变