非晶固體（玻璃）的原子尺度形變機理是材料科學和凝聚態物理領域備受關注的前沿問題之一，是玻璃材料宏觀性能設計和應用的基礎。晶體材料具有長程有序的原子結構。塑性形變可通過一些晶體缺陷（位錯、晶界等）中的原子運動來實現。缺陷可看作是塑性形變的載體，且這些形變載體在有序的晶格中可通過實驗手段（如透射電鏡）辨別并描述。而在玻璃的無序結構中較難定義缺陷。在形變時，非晶無序結構中的原子如何響應和運動，在理論描述和實驗表征上存在挑戰。
計算機模擬實驗表明，非晶材料在原子尺度的塑性形變主要通過局域原子的重排來實現。這種結構重排中原子的運動主要通過非仿射位移（nonaffine displacements）來體現，即偏離均勻線性響應的位移部分。這種非仿射位移實質上與非晶無序局域結構的中心對稱性的缺失密切相關。在有序晶格中，每個原子周圍局域環境具有鏡像對稱性，而變形時晶體中每個原子上受到的周圍原子的力可相互抵消，原子/晶格位移隨施加應力線性形變即仿射形變。在無序的局域結構中，中心對稱性的缺失致使作用在原子上的力不能相互抵消，從而使原子產生額外的非仿射位移。原子非仿射位移對探討非晶固體的模量軟化、塑性形變以及過冷液體流變的微觀機理頗為重要。在計算機模擬中，每個原子的實時位置可以被記錄，非仿射位移/形變可以精確計算。目前，對于實際的非晶固體，如何甄別和提取原子尺度的非仿射形變缺乏有效的實驗手段。此外，非晶固體包含不同鍵合類型的玻璃材料（如氧化物玻璃、高分子玻璃及金屬玻璃等）。這些材料具有完全不同的宏觀力學性質以及中/短程有序結構，且材料中的原子非仿射形變的具體運動模式需進一步剖析。
玻璃或液體通常被看作是結構各向同性的物質。20世紀70年代，變形或流動時造成的無序結構的各向異性現象已被發現。進一步，科學家發展了具有各向異性的無序結構的衍射分析理論。該理論在研究非牛頓流體、懸浮膠體顆粒的流變以及高分子鏈的纏結效應的微觀物理機制上發揮了重要作用。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家科學中心EX4組汪衛華院士團隊的博士研究生董杰，在副研究員孫保安、研究員白海洋的指導下，與中南大學、美國橡樹嶺國家實驗室等合作，運用同步輻射X-射線散射技術，結合各向異性的結構衍射分析理論，發現了在不同的玻璃材料中應力誘導的結構各向異性和局域原子的非仿射形變密切相關，并通過這一方法解析了不同鍵合類型的玻璃材料局域非仿射形變過程中原子的具體運動模式，獲取了玻璃在原子尺度結構變形的關鍵信息。
該研究選取四種不同鍵合類型的玻璃材料（鋯基非晶合金、單質非晶硒、氧化物玻璃B2O3和聚合物玻璃Polystyrene），采用高能同步輻射對蠕變變形后的樣品沿不同方向分別進行衍射實驗。結果顯示，在變形之后四種材料在平行載荷和垂直載荷方向的衍射環強度出現明顯差異，說明應力可使非晶結構的各向異性。進一步，該研究通過結構各向異性衍射理論對結構因子和原子配對分布函數（Pair Distribution Function，PDF）進行球諧函數展開，得到PDF方向分量。科研人員對比實驗得到的和根據仿射形變理論計算得到的曲線發現，對四種材料來說兩者差別明顯，說明對原子尺度的非仿射形變非常敏感。對于無方向性鍵合的非晶合金，PDF方向分量在（<11 ?）在長程部分完全相吻合，而在短程部分PDF曲線和理論計算曲線僅在相位上吻合，在峰強度上明顯偏離，說明非晶合金的塑性形變主要通過彈性形變基體上的局域原子的非仿射形變來實現。由此方法確定的局域非仿射形變區的直徑大小為2.2 ?，與以往實驗測得的非晶合金剪切轉變區（STZs）大小相吻合?？蒲腥藛T對比了其余三種具有方向性鍵合的玻璃（Se、B2O3、Polystyrene）PDF方向分量的實驗曲線和理論曲線發現，在可觀測范圍內兩者無論是峰位和峰強度都不吻合，說明這三種玻璃具有和非晶合金完全不同的微觀形變模式，且原子的非仿射形變發生在更大的尺度范圍內。進一步，科研人員對和的比對分析發現，對非晶合金來說，在峰位置上有明顯偏離，說明在非仿射形變過程中原子鍵的長度發生了變化；而另外三種玻璃和在峰位上完全吻合，說明非仿射形變過程中原子鍵長度沒有發生變化，形變通過原子鍵/分子鏈的轉動來進行。上述實驗結果進一步被分子動力學模擬所證實：原子的非仿射形變與結構各向異性存在高度的關聯性。此外，分子動力學更直觀地展示了玻璃材料的微觀形變的原子運動模式：非晶合金的非仿射形變主要來源于原子鍵的伸長或縮短所導致的新原子鍵的形成；而具有方向性鍵合的玻璃的非仿射形變模式為原子鍵/分子鏈的轉動。這為探究各種玻璃材料的宏觀力學變形行為和性能提供了基礎。
應力誘導結構各向異性方法不需要提前確定玻璃固體的局域拓撲結構，便可提取出玻璃在原子尺度上的形變信息，為解析無序固體的微觀形變機制提供了通用且有效的實驗方法；通過該方法得到的玻璃材料形變時的原子運動的關鍵信息，利于剖析無序固體的微觀形變機理。近期，相關研究成果以Nonaffine atomic rearrangement of glasses through stress-induced structural anisotropy為題，在線發表在《自然-物理》（Nature Physics）上。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重大專項和中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。
