[论文解读] Topological defects in non-reciprocal active solids with odd elasticity

L. P. Braverman, Colin Scheibner+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 52被引用 5

一句话总结

本文研究了具有奇弹性（odd elasticity）的非互易活性固体中的拓扑缺陷，其中麦克斯韦-贝蒂互等性被破坏，导致弹性模量的非对称性，从而改变位错的相互作用与稳定性。分子动力学模拟揭示了由活性塑性过程驱动的可移动位错，为旋转粒子系统和机器人超材料提供了新见解。

ABSTRACT

We study topological defects in active solids whose microscopic interactions violate Maxwell-Betti reciprocity (MBR). Broken MBR arises in active solids whenever the linear response between microscopic displacements and (non-conservative) forces is asymmetrical. In the continuum, broken MBR yields an asymmetric (or odd) elastic modulus tensor that modifies the interaction between dislocations, even reversing the stability of otherwise bound pairs. Such odd elastic moduli can also arise in reciprocal systems with conservative microscopic forces if pre-stress is present. Beyond continuum theories, isolated dislocations can also become motile due to microscopic work cycles active at dislocation cores that compete with conventional Peach-Koehler forces caused, for example, by ambient torque densities. We perform molecular dynamics simulations isolating active plastic processes and discuss their experimental relevance to solids composed of spinning particles and robotic metamaterials.

研究动机与目标

• 理解活性固体中麦克斯韦-贝蒂互等性破缺如何导致非保守力和非对称弹性模量。
• 研究奇弹性对位错相互作用的影响，特别是位错对的稳定性。
• 识别位错核心处产生净功循环的活性塑性机制，这些机制与传统的佩奇-科勒尔力竞争。
• 利用分子动力学模拟和分析具有非互易相互作用的系统中可移动位错的动力学。
• 将理论发现与实验系统（如旋转粒子阵列和机器人超材料）联系起来。

提出的方法

• 建立具有非互易微观相互作用的活性固体模型，以破坏麦克斯韦-贝蒂互等性。
• 推导具有非对称（奇）弹性模量张量的连续介质弹性理论，以描述非保守力-位移响应。
• 执行分子动力学模拟，以分离位错核心处的活性塑性过程。
• 分析活性功循环与传统佩奇-科勒尔力之间的竞争，以驱动位错运动。
• 使用预应力作为机制，在原本互易的系统中诱导奇弹性。
• 通过模拟奇弹性效应下位错对的稳定性和迁移性来验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 麦克斯韦-贝蒂互等性破缺如何改变活性固体中位错对的稳定性？
• RQ2 奇弹性模量在改变位错相互作用并实现位错运动方面起到什么作用？
• RQ3 位错核心处的活性塑性过程如何产生净功并驱动位错运动？
• RQ4 预应力在何种方式下可使具有保守力的互易系统中诱导出奇弹性？
• RQ5 旋转粒子系统和机器人超材料中奇弹性的实验特征是什么？

主要发现

• 麦克斯韦-贝蒂互等性破缺导致非对称弹性模量，从而反转了束缚位错对的稳定性。
• 即使在保守的微观力下，预应力也能使互易系统中产生奇弹性模量。
• 由于位错核心处的活性塑性过程，位错变得可移动，其驱动力来自微观功循环。
• 位错核心处的活性功循环与传统佩奇-科勒尔力竞争，甚至可能占主导地位。
• 分子动力学模拟证实了由非保守力驱动的持续位错运动的存在。
• 研究结果对旋转粒子阵列和机器人超材料等活性物质系统具有实验相关性。