physics)不仅仅能研究物相随压力的变化,它还是合成新物质、新材料的有效方法。宇宙中大多数物质都是处在高压状态(星体内部),因此高压物理还是理解宇宙奥秘的钥匙。利用金刚石对顶砧(diamond anvil cell)(图1),目前人们已经能够实现高达500GPa 的静压力。
3)网上可见把plasmoid译成等离子团、等离子粒团的做法。把plasma译成等离子体已是大不当 (曹则贤,作为物理学专业术语的Plasma一词该如何翻译?《物理》35卷12期,1067(2006).),对待plasmonics, plasmoid等词还是应该更认真一点。
图1. 金刚石对顶砧,由两块加工成近似锥状的金刚石组成。加在较大面积的底部上有限的力会在面积较小的顶部(对顶到一起)形成很大的压强。
二
Tension
Tension 来自拉丁语tensus,本意是拉伸 (to stretch),抻,跟压相反(the opposite of compression)。在日常英文中,tension 和 stress 意思接近, 比如我们可以说 social tension 和 social stress,都是指社会中不同阶层、不同个体间有强烈冲突的社会状态。肉体和精神长期处于紧绷着的状态,会引起tension-type headaches (紧张型头疼)。Tension 作为一个物理学词汇,汉译张力,但其具有两种不同的量纲,其意义是混乱的。Tension的意思其一是力,单位长度的形变所引起的内能改变。比如一根吊起1kg物品的绳子,其内部的张力约为10牛顿。在surface tension(表面张力)一词中,又称surface energy 或surface free energy,也叫surface stress,其量纲却等价于单位面积上的能量。设想一个薄肥皂泡膜,增大其面积要消耗的能量,就正比于surface tension。不过,由于所有的液滴必须在一定的气压下才能保持(饱和蒸气压的概念。看,又一个pressure是存在保障的例子),所以surface energy 并不是液体自身的性质,而是由液体和它的外部环境共同决定的,所以更确切的术语应是interface energy (界面能)。表面张力的存在让带腊质的叶子上的露珠近似呈球形,因为球形有最小的表面体积比。表面张力是决定液体行为的重要因素。在地球表面上,由于重力的存在,表面张力的存在还不是太麻烦;实际上它还是一个可以善加利用的可爱的性质(图2)。在太空中的微重力环境下,液体的表面张力让液体管理成为一项令人头疼的事情。
带tension的另一个物理学词汇是电学里的electrical tension,又称 voltage 或electromotive force(电动势),是两点之间的电势差,单位为伏特(Volt)。
图2:水的表面张力(75.6mJ/m2)足以托起一根曲别针(左图,Robert Anderson的摄影作品)。许多生物,如水黾,就是靠水的表面张力而从容地浮在水面上的(右图)。
三
Stress
Stress,汉译应力,实际上和pressure有同样的量纲, 描述的是物质内部的一种因为拉伸(同tension 关联)或压缩(同pressure关联)所造成的紧张状态。从描述物质内部状态这一点来说,tension 和stress虽然量纲不同,但在物理图像上更接近一些。按照定义, ,可见应力一般是一个 3×3 的张量,量纲为能量的体密度。造成stress的原因有体系的拉伸或压缩,相应地字面上就有tensile stress(张应力)和 compressive stress (压应力)的说法,这三个词就是这样纠缠不清。从物理上说,应力和压力也是关联的,在静水压(hydrostatic compression)时,
,其中
是应力张量 (stress tensor),P是静压力,
是Kronecker符号。[4]
材料体系能经受多大的拉伸应力是材料性能的重要指标。拉伸一个材料,在初始时随着形变的增加,材料体系内的应力也线性地增加,此时材料处于弹性形变范围。撤除拉力后,材料能回复原状。形变超过某个临界值时,材料进入塑性形变范围,此时内部应力先是增加变缓,而后甚至随形变的增加而减小,最终材料会断裂(图3)。形变转入塑性形变时对应的应力就是tensile yield stress(屈服拉伸应力)。当我们用stress 描述人的内在状态时(焦虑度?),也应该引入yield stress 这个概念。人体在接近这个屈服压力前应该及时休整。所谓的“他集万千宠爱于一身,也集万钧压力于一身,但,他从不令宠爱他的人失望,他总是令附着于他的压力失重。” 的说法,有点太过文学了些!
图3、典型材料的拉伸形变同应力之间的关系。此图明确表明应力是应变的函数, 是由形变引起的。
应力是关于体系内在状态的描述,是个结果性的东西,但在许多场合被误认为是原因性(causal)的。比如,薄膜生长遇到的一个关键问题是衬底同薄膜之间的晶格匹配问题。薄膜中的第一层原子同衬底材料中的原子相结合,界面附近薄膜中的原子之间的键长同自由薄膜材料中的键长会有出入,则在界面处有应力积聚发生。若应力较大时,薄膜会破裂(blistering)、发生相变以消除应力。这个过程在许多文献中被描述为是由应力诱导的。实际上,应力是原子构型的函数, 它不过是沉积原子随着其数目的增加(或者还有其它参数如温度的改变)而调整其最小能量构型时的(伴随)表现而已。
应力水平过高(overstressed)的体系会失稳,过渡到一个应力非均匀的但总形变能最小化的状态。龟裂的大地,人脸上的皱纹[5],甚至花叶序,可能都是寻求弹性形变能最小的结果。既然应力水平过高的体系会失稳,导致自组装花样的出现,它就可以用来制备各种有序花样。应力工程目前在此方向上取得了许多傲人的成绩,被誉为是微纳米制作的第三条途径。不过,stress 不像电场或磁场那样可以作为外部条件随意添加。欲在一个体系内引入给定分布的应力场,说着简单,要想实现却是非常困难的。但是利用热效应,是有可能在体系内,尤其是在微观体系内,产生一个均匀的应力场的。自2004年以来,李超荣教授和笔者合作,在Ag内核/SiO2壳层微结构上通过冷却在壳层内引入过量的应力,在球面的结构上观察到了三角铺排的应力点阵,在锥面的结构上观察到了左手性和右手性的7组菲波纳契螺旋状的应力点阵(图4)[6-8],New Scientists 杂志欢呼这是人类第一次在微观层次上制备出菲波纳契螺旋。这些结果为验证花叶序作为最小弹性能构型的力学原理提供了坚实的实验依据。此后,基于对此原理的理解,我们同其他合作者一道,通过模拟计算证实,大自然中的多种瓜果的外观花样是应力屈曲模式在由形状因子、果皮厚度和应力过载构成的参数空间中不同域(domain)上的表现 (图5)。
图4. 在Ag内核/SiO2壳层微结构上实现的应力点阵,左为三角铺排点阵,右为 5×8和 13×21 的菲波纳契螺旋花样 (原图见Ref.[6])
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