Pushing the glass transition towards random close packing using self-propelled hard spheres
尽管半个多世纪前就提出了硬球的随机紧密堆积的概念，几乎普遍的堆积分数为~ 0.64，但仍然存在持续的争论。寻找密堆积的主要困难在于，在~ 0.58处具有超过玻璃化转变的堆积分数的状态本质上是非平衡系统，其中动力学随着结构弛豫时间随密度而发散而减慢;因此，无规密堆积是不可接近的。在这里，我们进行模拟的自我推进的硬球，我们发现，随着活动的增加，松弛动力学可以加快数量级。玻璃化转变转移到更高的包装分数后，增加的活动，使研究的球形包装与流体样的动力学在包装分数接近随机紧密包装。我们的研究开辟了新的可能性，调查致密包装和硬颗粒系统中的玻璃化转变。
2013-10-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.comp-ph
A Linear Programming Algorithm to Test for Jamming in Hard-Sphere Packings
硬颗粒填料的堵塞问题是近年来人们十分感兴趣的问题。在Torquato和Stillinger的论文[J. Phys. Chem. B，105（2001）]中，提出了将堵塞填料分类为局部堵塞构型、集体堵塞构型和严格堵塞构型的分级分类方案。他们建议，这些干扰类别可以使用数值算法进行测试，该算法分析了施加位移下的填料的等效接触网络，但将此类算法的设计作为未来的任务。在这项工作中，我们提出了一个严格和有效的算法来评估是否硬球包装堵塞根据上述类别。该算法是基于线性规划，适用于规则以及随机填充的硬壁和周期性边界条件的有限大小。如果包装没有被卡住，该算法产生代表性的多粒子的unjamming运动。我们已经实现了这个算法，并将其应用到有序格以及随机填充的磁盘和球在周期性的边界条件。文中给出了一些有代表性的有序和无序堆积的计算结果，并展望了其应用前景。一个重要而有趣的结果是，我们测试的随机填充在三维中是严格堵塞的，而不是在二维中。在作者的网页上提供了许多交互式可视化模型。
2002-08-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Stress-induced ordering of two-dimensional packings of elastic spheres
受限环境中颗粒的堆积是多个领域共同面临的问题。本文基于二维Hertzian粒子模型，研究了可变形球形粒子在压缩条件下的堆积，揭示了应力作为有序场在调节粒子排列中的重要作用。具体地说，在增加的压缩，压缩粒子自发地组织成规则的包装在三角形和正方形晶格，五边形镶嵌，和凹进三角形晶格的顺序。丰富的有序模式和复杂的结构，在这项工作中揭示了一个富有成效的组织战略的基础上的相互作用的外部应力和内在的弹性不稳定性的颗粒阵列。
2020-06-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Glass transition and random packing in the hard sphere system
玻璃化转变和硬球系统中的无规堆积已经引起了极大的关注，因为该系统在研究包括液体、胶体分散体、过冷液体、玻璃和颗粒材料在内的各种实际系统中起着重要作用（1-12）。尽管该系统很重要且简单，但一些基本问题，例如理想玻璃化转变的存在（5-16），玻璃化转变和随机堆积（或堵塞）的性质以及熵危机或Kauzmann悖论（17，18）仍然是开放的。基于在势能景观框架内的整个稳定和亚稳区域上的非常精确的状态方程，在这里，我们报告了在硬球系统中观察到的两个相变：第一种是理想玻璃化转变，表明构型熵消失，第二种是无规松散堆积和无规紧密堆积1之间的堵塞转变，2（或最大随机堵塞包装（11，12）），表明固有的结构优势。然而，有人建议，玻璃和堵塞转变可能不会被视为一个热力学相变。非平衡熵损失表明平衡热力学不适用于过冷液体和玻璃。这里提出的硬球系统的结果将有直接的影响，随机包装或干扰相关的研究，并将揭示在实际系统中的玻璃化转变的研究。
2006-05-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Minimal energy packings and collapse of sticky tangent hard-sphere polymers
我们列举了所有的最小能量包装（MEP）的小单线性和环状聚合物组成的球形单体与接触吸引力和硬核排斥，并比较它们相应的结果为单体包装。我们定义并确定了聚合物填料中的“分割面”，它减少了满足硬球和共价键约束的排列数量。与单体MEP相比，聚合物MEP更倾向于中间结构对称性而不是高对称性和低对称性。我们还研究了包装制备依赖于较长的单链使用分子动力学模拟。对于缓慢的温度淬火，链形成具有紧密堆积的核心的微晶。随着淬火速率的增加，芯尺寸减小，并且外部变得更加无序。通过研究接触数，我们连接到无序包装的等静压开始抑制结晶。这些研究代表了我们预测致密聚合物的结构和机械性能如何取决于塌陷动力学的能力向前迈出了重要的一步。
2010-08-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Packing and percolation of poly-disperse discs and spheres
对于二维排列的二元圆盘，当尺寸比接近于1时，圆盘组装体的堆积率低于单分散体系。我们发现，抑制包装分数是由增加的相邻邻居与长债券的相邻邻居定义的基础上的拉盖尔（激进）镶嵌。对于二维和三维的多分散体系，填充分数作为多分散性的函数具有最小值。研究了密排圆盘和密排球体中的渗流过程。临界面积（体积）分数在两个（三个）的维度被证明是一个单调增加（减少）的多分散性的函数。
2005-08-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Densest binary sphere packings and phase diagram : revisited
我们重新审视了周期性边界条件下的致密二元球堆积（DBSP），并提出了一个更新的相图，包括新发现的12个推定的致密结构在$x - α$平面上，其中$x$是相对浓度和$α$是小和大的球体的半径比。为了有效地探索DBSP，我们开发了一种无偏的随机搜索方法的基础上的堆积方法，以无偏的方式生成初始结构和迭代平衡方法，以优化单位细胞的体积，同时保持硬球的重叠最小化。通过这两种方法，我们发现了12个假定的DBSP，从而更新了相图，而我们的结果与以前的研究结果一致[Hopkins等人，E 85，021130（2012）]，对于晶胞中12个或更少球体的情况进行了小的校正。在$0.42 \le α\le 0.50$的小半径范围内发现了5种新的12种密排填料，其中几种结构在填料分数方面相互竞争。通过穷举搜索，发现了不同的致密堆积，因此我们发现，通过引入扭曲和/或结合一些局部致密结构单元，堆积结构实现高堆积分数。此外，我们调查的DBSP与晶体的空间群的基础上的对应关系。结果表明，实际晶体中的许多结构单元，$\mathrm{LaH_{10}}$和$\mathrm{SrGe_{2-δ}}$是高压相，可以理解为DBSP。对应性意味着，密度球填料可以有效地用作结构原型，用于搜索复杂的晶体结构，特别是对于高压相。
2020-10-14 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Can the packing efficiency of binary hard spheres explain the glass-forming ability of bulk metallic glasses?
我们进行分子动力学模拟压缩二元硬球堵塞包装作为压缩率$R$，尺寸比$α$，和小颗粒的数量分数$x_S$的函数，以确定之间的连接的玻璃形成能力（GFA）和包装效率在大块金属玻璃（BMG）。我们通过测量临界压缩率$R_c$来定义GFA，低于该压缩率，堵塞的硬球填充开始形成具有缺陷的“随机晶体”结构。我们发现，与$α\gtrsim 0.8$的系统不去混合，$R_c$强烈减少与$Δϕ_J$，作为$R_c \sim \exp(-1/Δϕ_J^2)$，其中$Δϕ_J$是在$R_c$的无定形包装和随机晶体结构的平均包装分数之间的差异。含有$α\lesssim 0.8$的体系部分解混，这促进了结晶，但我们仍然发现$R_c$和$Δϕ_J$之间有很强的相关性。我们发现，已知的金属-金属BMG发生在该地区的$α$和$x_S$参数空间的最低值的$R_c$二元硬球。我们的研究结果强调，最大限度地提高GFA在二元系统中涉及两个竞争的影响：最小化$α$，以提高包装效率，而最大化$α$，以防止分层。
2014-04-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Shearing of frictional sphere packings
我们测量玻璃珠填料的剪切响应，通过将薄的、粗糙的金属板垂直地拉过体积分数为φ的床，该体积分数在板被拉之前被设置在0.575至0.628的范围内。屈服应力在40年内与速度无关，并随φ呈指数增加，在φ约0.595处发生转变。测得的力的波动的分析表明，剪切模量是显着小于体积模量。
2011-04-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Random close packing fractions of lognormal distributions of hard spheres
我们将最近的一维算法用于预测多分散硬球的随机紧密堆积分数[Farr和Groot，J.Chem.Phys.133，244104（2009）]应用于球尺寸的对数正态分布和这种群体的混合物的情况。我们的结果比较好，直接模拟球体在三维空间中的两个慢得多的算法，并表明该算法是足够快的粒子包装的逆问题：设计尺寸分布，以满足所需的标准。本文中使用的一维方法是以C编程语言的计算机代码实现的，根据GNU通用公共许可证（版本2）的条款，可在http://sourceforge.net/projects/spherepack1d/上获得。
2013-06-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Robust Algorithm to Generate a Diverse Class of Dense Disordered and Ordered Sphere Packings via Linear Programming
我们已经将生成周期性密集粒子填充的问题表述为称为自适应收缩单元（ASC）表述的优化问题[S. Torquato和Y. Jiao，Phys. Rev. E { \bf 80}，041104（2009）]。由于在$d$ -维欧氏空间$\mathbb{R}^d$中具有尺寸分布的球形填充的目标函数和不可穿透性约束可以精确线性化，因此使用序列线性规划（SLP）技术来解决相应的ASC优化问题是最合适和自然的。我们实现了一个SLP的解决方案，以产生强大的广泛的频谱的堵塞球填充在$\mathbb{R}^d$为$d=2,3,4,5$和$6$的无序和密度的多样性的最大密度。通过调整{ \it影响球}的半径，这种确定性算法可以以很小的计算代价产生除了通常的无序结构之外的广泛的固有结构。在三维空间中，我们表明，它可以产生高概率的各种严格堵塞的包装与包装密度的任何地方在广泛的$[0.6, 0.7408...]$。我们还应用该算法生成各种无序包装以及最大稠密包装的$d=2,3, 4,5$和6。与LS过程相比，我们的SLP协议能够确保最终的包装是真正的堵塞，产生无序堵塞的包装，密度非常低，并且在生成最大密度的包装时，特别是随着空间维度的增加，计算速度明显更快。
2010-12-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech math.MG
Densest binary sphere packings
在α-x平面中，小球体与大球体半径比α和小球体相对浓度x的致密二元球体填充历来非常难以确定。先前的研究已经导致预测这些填充物由几种已知的“合金”相组成，包括例如AlB 2（六方Ω）、HgBr 2和AuTe 2结构，并且导致XYn结构由紧密填充的大球与间隙中的小球（数量比为n比1）组成，例如，n = 1的NaCl填充。然而，利用Torquato-Jiao球填充算法的实现[S. Torquato和Y. Jiao，Phys.Rev.E82，061302（2010）]中，我们已经发现，更多的结构出现在致密填充中。例如，以前所有已知的致密结构都是由小到大的球体组成的，其数量比为1：1、2：1，最近还有3：1，而我们已经发现了数量比为7：3和5：2的致密结构。在最近的工作[A。B.霍普金斯，Y. Jiao，F. H. Stillinger和S. Torquato，Phys. Rev. Lett. 107，125501（2011）]，我们总结了这些发现。在这项工作中，我们提出了已知的最密集的填料的结构，并提供有关其特性的细节。我们的研究结果表明，一个广泛的阵列的不同的dennious机械稳定的结构组成的只有两种类型的组件可以形成没有任何考虑的吸引力或各向异性的相互作用。此外，我们已经确定的新结构可能对应于某些二元原子和分子系统的当前未识别的稳定相，特别是在高温和高压下。
2012-01-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Connecting packing efficiency of binary hard sphere systems to their intermediate range structure
使用计算机X射线断层扫描，我们确定的三维（3D）结构的二元硬球混合物的组成和颗粒的尺寸比，q的函数。使用最近引入的四点关联函数，我们发现，这种三维结构的中间和大的长度尺度上令人惊讶的规则秩序，其对称性依赖于q。相关的结构相关长度有一个最小值的组合物在包装分数是最高的。在该组成下，不同的局部颗粒排列的数量也具有最大值，表明颗粒的有效堆积与局部最大无序的结构相关。
2021-09-01 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
The structural origin of the hard-sphere glass transition in granular packing
玻璃化转变伴随着结构弛豫时间的快速增长和伴随的构型熵的降低。目前还不清楚的过渡是否有热力学起源，以及是否动态逮捕是与一定的静态秩序的增长。使用颗粒填料作为模型硬球玻璃，我们显示的玻璃化转变作为一个热力学相变与“隐藏”的多面体秩序。这种多四面体有序在空间上与缓慢的动力学相关。它是几何挫折，并有一个特殊的分形维数。此外，随着填充分数的增加，它的增长遵循熵驱动的成核过程，类似于随机一级跃迁理论。我们的研究基本上确定了一个长期追求的结构玻璃秩序硬球玻璃。
2015-09-29 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Dionysian Hard Sphere Packings are Mechanically Stable at Vanishingly Low Densities
高强度重量比材料可以通过最大化强度或最小化重量来构造。张拉整体结构和气凝胶采用非常不同的途径来实现高强度重量比，但两者都依赖于内部张力。在没有张力的情况下，去除材料最终会使结构不稳定。试图最大化的强度与重量比与纯粹排斥球进行了删除球已经稳定的晶体结构。这导致适度低的密度和比拉伸材料更差的强度重量比。在这里，我们证明了存在一个包装的硬球，具有渐近零密度，但仍保持有限的强度，从而实现一个无界的强度重量比。这种结构，我们称之为狄俄尼索斯的，是完全和稳定地填充空间的阿波罗球体填充的直径相反。我们创建工具来评估压缩球填料的稳定性和强度。使用这些，我们发现，我们的结构具有渐近有限的体积和剪切模量，并线性抵抗每一个施加的变形，内部和外部。通过证明稳定结构的密度没有下限，这项工作允许任意轻质高强度材料的建造。
2021-09-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
