非晶固体（玻璃）的原子尺度形变机理是材料科学和凝聚态物理领域备受关注的前沿问题之一，是玻璃材料宏观性能设计和应用的基础。晶体材料具有长程有序的原子结构。塑性形变可通过一些晶体缺陷（位错、晶界等）中的原子运动来实现。缺陷可看作是塑性形变的载体，且这些形变载体在有序的晶格中可通过实验手段（如透射电镜）辨别并描述。而在玻璃的无序结构中较难定义缺陷。在形变时，非晶无序结构中的原子如何响应和运动，在理论描述和实验表征上存在挑战。计算机模拟实验表明，非晶材料在原子尺度的塑性形变主要通过局域原子的重排来实现。这种结构重排中原子的运动主要通过非仿射位移（nonaffine displacements）来体现，即偏离均匀线性响应的位移部分。这种非仿射位移实质上与非晶无序局域结构的中心对称性的缺失密切相关。在有序晶格中，每个原子周围局域环境具有镜像对称性，而变形时晶体中每个原子上受到的周围原子的力可相互抵消，原子/晶格位移随施加应力线性形变即仿射形变。在无序的局域结构中，中心对称性的缺失致使作用在原子上的力不能相互抵消，从而使原子产生额外的非仿射位移。原子非仿射位移对探讨非晶固体的模量软化、塑性形变以及过冷液体流变的微观机理颇为重要。在计算机模拟中，每个原子的实时位置可以被记录，非仿射位移/形变可以精确计算。目前，对于实际的非晶固体，如何甄别和提取原子尺度的非仿射形变缺乏有效的实验手段。此外，非晶固体包含不同键合类型的玻璃材料（如氧化物玻璃、高分子玻璃及金属玻璃等）。这些材料具有完全不同的宏观力学性质以及中/短程有序结构，且材料中的原子非仿射形变的具体运动模式需进一步剖析。玻璃或液体通常被看作是结构各向同性的物质。20世纪70年代，变形或流动时造成的无序结构的各向异性现象已被发现。进一步，科学家发展了具有各向异性的无序结构的衍射分析理论。该理论在研究非牛顿流体、悬浮胶体颗粒的流变以及高分子链的缠结效应的微观物理机制上发挥了重要作用。近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家科学中心EX4组汪卫华院士团队的博士研究生董杰，在副研究员孙保安、研究员白海洋的指导下，与中南大学、美国橡树岭国家实验室等合作，运用同步辐射X-射线散射技术，结合各向异性的结构衍射分析理论，发现了在不同的玻璃材料中应力诱导的结构各向异性和局域原子的非仿射形变密切相关，并通过这一方法解析了不同键合类型的玻璃材料局域非仿射形变过程中原子的具体运动模式，获取了玻璃在原子尺度结构变形的关键信息。该研究选取四种不同键合类型的玻璃材料（锆基非晶合金、单质非晶硒、氧化物玻璃B2O3和聚合物玻璃Polystyrene），采用高能同步辐射对蠕变变形后的样品沿不同方向分别进行衍射实验。结果显示，在变形之后四种材料在平行载荷和垂直载荷方向的衍射环强度出现明显差异，说明应力可使非晶结构的各向异性（图1）。进一步，该研究通过结构各向异性衍射理论对结构因子和原子配对分布函数（Pair Distribution Function，PDF）进行球谐函数展开，得到PDF方向分量。科研人员对比实验得到的和根据仿射形变理论计算得到的曲线发现，对四种材料来说两者差别明显，说明对原子尺度的非仿射形变非常敏感。对于无方向性键合的非晶合金，PDF方向分量在（<11 Å）在长程部分完全相吻合，而在短程部分PDF曲线和理论计算曲线仅在相位上吻合，在峰强度上明显偏离，说明非晶合金的塑性形变主要通过弹性形变基体上的局域原子的非仿射形变来实现。由此方法确定的局域非仿射形变区的直径大小为2.2 Å，与以往实验测得的非晶合金剪切转变区（STZs）大小相吻合。科研人员对比了其余三种具有方向性键合的玻璃（Se、B2O3、Polystyrene）PDF方向分量的实验曲线和理论曲线发现，在可观测范围内两者无论是峰位和峰强度都不吻合，说明这三种玻璃具有和非晶合金完全不同的微观形变模式，且原子的非仿射形变发生在更大的尺度范围内。进一步，科研人员对和的比对分析发现，对非晶合金来说，在峰位置上有明显偏离，说明在非仿射形变过程中原子键的长度发生了变化；而另外三种玻璃和在峰位上完全吻合，说明非仿射形变过程中原子键长度没有发生变化，形变通过原子键/分子链的转动来进行。上述实验结果进一步被分子动力学模拟所证实：原子的非仿射形变与结构各向异性存在高度的关联性（图3）。此外，分子动力学更直观地展示了玻璃材料的微观形变的原子运动模式（图4）：非晶合金的非仿射形变主要来源于原子键的伸长或缩短所导致的新原子键的形成；而具有方向性键合的玻璃的非仿射形变模式为原子键/分子链的转动。这为探究各种玻璃材料的宏观力学变形行为和性能提供了基础。应力诱导结构各向异性方法不需要提前确定玻璃固体的局域拓扑结构，便可提取出玻璃在原子尺度上的形变信息，为解析无序固体的微观形变机制提供了通用且有效的实验方法；通过该方法得到的玻璃材料形变时的原子运动的关键信息，利于剖析无序固体的微观形变机理。近期，相关研究成果以Nonaffine atomic rearrangement of glasses through stress-induced structural anisotropy为题，在线发表在《自然-物理》（Nature Physics）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大专项和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。论文链接图1. 应力导致结构各向异性的实验检测示意图，不重叠的椭圆衍射环为应力导致结构各向异性的特征。图2. 不同键合玻璃中各向异性PDF的实验观测与理论预测的对比（左列），以及实验各向同性PDF和各向异性PDF的对比（右列）。图3. 金属玻璃和聚合物玻璃的分子动力学模拟结果证明各向异性PDF和原子的非仿射形变相关。图4. 非晶合金和聚合物玻璃非仿射形变的键伸缩模式和链转动模式的直观展示。