皱巴巴的床单揭示了一种玻璃状松弛的机制

我们经常将一张纸片揉成一团，然后再扔掉。然而，这种平凡的行为创造了一个独特的复杂系统，具有令人惊讶的机械性能。拿一块薄塑料片，例如玻璃纸，亲自尝试一下。虽然普通的平板在重力的影响下会简单地弯曲，但皱巴巴的板材更硬并且可以承受自身的重量。它还具有形状记忆——它有许多稳定的配置，因此往往会保持变形后的形状。

特拉维夫大学的YoavLahini博士长期以来一直痴迷于皱巴巴的薄片。“这根本不是一种好奇，”他解释道。“皱巴巴的床单与其他更难研究的复杂系统有许多奇怪的行为。将实验握在手中的能力可以带来如此多的直觉。”

在《自然物理学》杂志上发表的一项新研究中，拉希尼博士和他的学生多尔·肖哈特(DorShohat)和亚尼夫·弗里德曼(YanivFriedman)使用皱巴巴的床单为缓慢松弛和身体衰老的机制提供了新的线索，这是无序系统物理学中长期存在的问题。

永无休止的放松

为了理解这个问题，请考虑以下桌面实验：取一张薄片，将其揉成球状，然后将其放在重物下。皱巴巴的球不会像人们预期的那样放松到某个固定的体积，而是会在重量的作用下继续压实，而不会达到平衡。

20多年前，KittiwitMatan及其同事的实验表明，这种缓慢的压实在时间上是对数的，这意味着压实速度不断减慢，但即使在几周后也没有表现出停止的迹象。

对数松弛并不是皱巴巴的床单所独有的。它们出现在凝聚态物理学中的各种无序系统中，从聚合物和沙堆到无序导体和玻璃，但它们的微观起源却知之甚少。

皱巴巴的床单提供了其他系统无法提供的实验性访问。在对数弛豫过程中，起皱的薄片会发出噪音：间歇性的爆裂声，这些声音源自局部不稳定性——小的双稳态区域会突然穿过薄片以释放应力。研究小组意识到，这些突谷不稳定性决定了板材的机械响应。缓慢的对数弛豫实际上是间歇性的，并且通过一系列突然的不稳定而发生。

声发射的统计数据揭示了更令人惊讶的结果。皱巴巴的球的不稳定并不是随机发生的。事实上，它们会互相触发，形成无尺度的不稳定雪崩。肖哈特解释说：“这种情况类似于自组织临界，系统自发地将自己定位在稳定边缘，并且各种规模的雪崩出现时都没有任何典型的规模。”

“但有一个转折。系统在表现出这些关键雪崩的同时不断发展。雪崩对应于固定的、广泛的分布，但它们跨越更多的时间尺度，并且随着系统的松弛而变得更加稀疏。”

简化模型

为了进一步了解松弛机制，研究人员采用了代表薄片的无序弹性网络的数值模拟。在模型中，网络中的每个键都是双稳态的，本质上是一个弹性弹簧，但具有两个静止长度。这代表了实验观察到的局部不稳定性。在外力作用下，模拟网络通过突然、无标度和缓慢的雪崩间歇性压缩，捕获所有实验观测结果。

模拟显示，缓慢的对数松弛是由一种简单的机制驱动的：在每个压缩步骤之前，其中一个键位于不稳定的边缘，接近于在其静止长度之间折断。这种折断是由随机过程中的噪声激活的，从而引发大量的不稳定因素。

每次雪崩后，触发下一次不稳定的能量屏障都会稍微增加，导致穿越时间更长。雪崩之间等待时间的增加会导致动力学减慢，并且通常会导致对数松弛。

拉希尼说：“该机制的简单性表明它可能与一系列无序系统有关。寻找由缓慢雪崩组成的间歇性弛豫的类似特征可以帮助理解玻璃系统、无定形固体甚至的动力学。”

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