近日，松山湖材料实验室研究员胡远超团队与日本东京大学教授Hajime Tanaka团队合作，研究发现非晶态物质中的动态结构缺陷。他们发现低频振动模式中会出现四极矩特征的准局域振动模式，并且通过模式分解可以定义动态结构缺陷的核心特征。相关成果发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。

非晶态固体中的低频本征振动模式。(a) 原始振动场; (b) 原始振动场的横波[transverse]分量; (c) 原始振动场的纵波[longitudinal]。研究团队供图，下同

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缺陷是材料的重要组成部分，对材料的性质和应用起着决定性的作用。在晶体材料中，缺陷具有明显的静态结构特征，比如空位、位错、层错等，可以利用先进的表征技术进行观测。如何调控缺陷一直是晶态材料的研究重点和难点，属于材料研究的普遍范式。

然而，在非晶态材料中，原子和分子在微观尺度上表现为无序排列，没有晶体中的周期性结构特征。尤其对于非晶合金，其原子组成主要是过渡金属，密排属于典型特点。它们通常呈现出优异的力学性能，但是缺乏拉伸塑性，成为制约其发展的关键因素。

非晶态固体中的准局域振动模式内核特征及其与形变场的对应关系。(a1，b1) 内核(core)原子尺度性质 Ψ; (a2, b2) 内核核心(key-core)原子尺度性质(Ψ); (a3, b3) 内核的原子尺度振动场; (a4, b4) 内核原子在极限小应变下的非仿射形变场。

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如何认识和控制非晶合金中的缺陷一直属于该领域的重大前沿科学问题，持续得到国内外学者的广泛关注。然而，在无序原子排列的背景下无法利用晶体学的方法和技术来定义缺陷，这给非晶的缺陷研究带来了巨大的挑战。如何打破传统静态结构思维模式、寻找新的研究视角是该研究方向的必经之路。

最新研究中，研究人员利用分子动力学模拟对非晶态固体中的缺陷开展了系统而深入的研究。通过对典型的二维非晶态固体模型进行研究，从原子的振动特性出发，对本征状态下的振动模式进行了解析分析。发现低频振动模式中会出现四极矩特征的准局域振动模式，并且在纵波分量呈现出其内核特征。

非晶态固体的剪切各向异性及其原子尺度激活特征。(a)剪切模量随着角度的变化规律; (b) 缺陷与低频横波振动态密度的关系; (c1, d1)在45度和90度剪切下的激活原子分布; (c2, d2) 固定缺陷中心原子(key-core, 黄色)后剪切下的激活原子分布。

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该研究通过计算原子尺度的vibrability（Ψ）参量，可以有效表征其内核原子分布规律，及其内核核心原子的空间分布规律。尽管内核原子呈现体分布特征，但是其内核核心原子呈现线形（string）规律，并且这些原子的振动场分布与极限小应变下的非仿射形变场高度契合。这些原子的激活程度与形变方向密切相关。

尽管非晶态固体整体上表现为各向同性，但是其剪切模量可以表现出很强的各向异性。通过表征不同剪切方向的激活原子，发现它们都呈现string的空间结构特征，通过固定（pining）这些原子可以有效降低剪切各向异性。另外，不同方向的缺陷string可以在原子尺度上高度重叠，证实缺陷的动态属性和激活规律。因此，非晶合金中的缺陷可以从原子尺度振动场进行挖掘，具备阶层级的激活能分布规律，它们与材料的力学性能和失效规律具有深度联系。

晶体中的缺陷的振动场特性。(a,b) 晶态固体的低频横波振动模式及其原子尺度Ψ分布。红色原子表示点缺陷所在位置。(c) 晶体在极限小应变下的剪切各向异性，红色曲线表示固定点缺陷后的剪切模量; (d-f) 原子尺度振动特性的divergence空间分布，呈现蝴蝶状特征。

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研究人员进一步分析了简单的二维晶态固体，它包含两个点缺陷。研究发现，从原子振动特性出发，晶体中的缺陷呈现出与非晶态缺陷类似的性质特征，构建了两类材料的桥梁。这些缺陷本征来源于局域力学阻挫（mechanical frustration），是固体材料中的基本能量耗散方式。

该研究为进一步认识非晶态材料及促进其理论和应用的发展提供了指导意义。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60781-7