材料也能“记忆”和“遗忘”吗？ 长期以来，记忆被认为是生物体和电子设备的专属能力。然而，最新的科学研究表明，某些材料也能在其微观结构中保留过往形变的“记忆”。理解这类材料记忆不仅有助于设计能以可预测方式响应环境变化的智能材料，更重要的是，它为神经科学家研究的各类认知记忆，特别是短期记忆与长期记忆如何相互作用和影响，提供了全新的物理学视角。

近日，宾夕法尼亚州立大学的研究人员在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了一项突破性研究，揭示了一种由小颗粒在粘性液体中组成的简单混合物——非布朗悬浮液——能够同时拥有两种不同类型的材料记忆，并且这些记忆之间会像生物记忆一样相互作用和竞争。

该论文的第一作者、宾夕法尼亚州立大学埃伯利理学院物理学研究生Surendra Padamata指出：“当你在电脑上保存一个文件时，这个新记忆并不会影响到其他已存在的文件。但在神经科学中，我们知道例如一个长期记忆可能会随着时间而改变，受到这些年获得的新短期记忆的影响。例如，青少年时期读过的一本小说，可能只觉得是个简单的故事。然而，在人生后期，当个人经历与小说主题产生共鸣时再次回忆，可能会发现第一次阅读时未曾注意到的深层含义。我们正是受到这种记忆相互作用方式的启发，试图在材料中找到一个类似的场景。”

研究团队专注于研究非布朗悬浮液中的记忆现象。这类悬浮液，类似于巧克力糖浆或新鲜混凝土，由相对较大的颗粒悬浮在粘性液体中构成。这些颗粒足够大，其运动不受布朗运动（热能原子随机运动）的影响，因此颗粒的任何移动都完全归因于实验中施加的机械力。这使得非布朗悬浮液成为研究结构记忆的理想模型，因为微观结构重排仅由外部机械剪切力（如搅拌或摇摆）引起。

研究人员首先证实，这种悬浮液能够记住其被搅拌的方向（形成方向记忆），并且如果被来回摇摆，悬浮液中的颗粒也会记住摇摆的剧烈程度（形成振幅记忆）。Padamata解释道：“这两种记忆此前都曾被单独研究过。因此，在我们的新实验中，我们首先搅拌混合物，印刻方向记忆，然后以不同强度来回摇摆，以观察这些记忆如何相互作用。”

研究团队发现，在较低的摇摆强度下，混合物不仅保留了振幅记忆，还保留了搅拌的方向记忆——这表明两种记忆确实可以同时存在于同一种材料中。然而，随着摇摆强度的增加，方向记忆逐渐减弱，并最终被擦除。

Padamata表示：“当摇摆强度达到某个特定阈值时，悬浮液中所有关于方向的记忆都会被完全擦除，使其恢复到完美的对称状态。更进一步，一旦超过这个擦除阈值，高强度摇摆本身就会开始写入与新机械力对齐的新方向记忆，从而覆盖了过去的配置。”这种强度依赖性的记忆擦除机制，通过频繁的粒子碰撞扰乱微观结构，实现了记忆的清除与重塑。

这项研究的发现为跨学科应用提供了丰富的启示。它不仅为神经科学中认知记忆的巩固过程提供了物理学框架，也为地质力学领域理解岩石堆积中的应力历史提供了线索，这可能影响地震动力学和塌陷的形成。研究人员推测，通过某种方式擦除这些地质“记忆”，或许能降低风险或建立更精确的预测模型。

研究人员还指出，记忆之间的竞争可能发生在粒子间的相互作用变得过于频繁时。而在较小的摇摆运动中，这些相互作用可能很少发生。然而，这一细节可能特定于液体中的悬浮颗粒，并取决于颗粒与液体的比例。值得注意的是，在固体材料中也观察到了类似的记忆现象，尽管其微观物理机制有所不同。宾夕法尼亚州立大学物理学副教授、研究团队负责人Nathan Keim表示：“在具有非常不同微观物理特性的软玻璃和颗粒堆积中，也出现了方向记忆和振幅记忆的类似组合。这表明，在搅拌或摇摆等简单条件下，无序物质的行为方式以及它们为何具有有限的记忆容量，可能存在一个普遍原则。”

这项研究得到了人类前沿科学计划（Human Frontier Science Program）的资助。