北理工團(tuán)隊(duì)在非晶體系結(jié)構(gòu)與動力學(xué)關(guān)聯(lián)上取得重要研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-06-30 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院李艷偉研究員、姚裕貴教授同新加坡南洋理工大學(xué)數(shù)學(xué)物理學(xué)院Massimo Pica Ciamarra教授合作，在非晶體系結(jié)構(gòu)與動力學(xué)關(guān)聯(lián)問題上取得重要進(jìn)展。提出塑性關(guān)聯(lián)長度可用于預(yù)測較長時(shí)間尺度下非晶體系的復(fù)雜動力學(xué)行為，如動力學(xué)變慢及動力學(xué)異質(zhì)性。該研究創(chuàng)新性的建立了塑性與動力學(xué)的關(guān)聯(lián)，為非晶玻璃化轉(zhuǎn)變這一公認(rèn)學(xué)術(shù)難題提供了新的思路。該研究工作發(fā)表在物理學(xué)頂尖期刊Physical Review Letters上。
液體降溫過程中，可能會在低于結(jié)晶溫度時(shí)不結(jié)晶，形成過冷液體，進(jìn)一步降溫，過冷液體會經(jīng)歷玻璃化轉(zhuǎn)變形成非晶固體。玻璃化轉(zhuǎn)變機(jī)制是統(tǒng)計(jì)物理，軟物質(zhì)物理，高分子物理等領(lǐng)域中的公認(rèn)難題。液體-非晶固體轉(zhuǎn)變過程中，體系黏度可有近14個(gè)量級的攀升，而其靜態(tài)結(jié)構(gòu)卻變化不大，保持長程無序的狀態(tài)，這與液體-晶體轉(zhuǎn)變截然不同。此外，在非晶液-固轉(zhuǎn)變過程中，體系的動力學(xué)會越來越慢，動力學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)呈現(xiàn)兩步松弛，并伴隨體系不同區(qū)域粒子運(yùn)動快慢不同等復(fù)雜而有趣的現(xiàn)象。玻璃體系動力學(xué)與體系結(jié)構(gòu)有沒有關(guān)系，如果有關(guān)系，是什么樣的結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定體系的動力學(xué)的？圍繞這一問題，文獻(xiàn)中報(bào)道了諸如基于局部彈性性質(zhì)與動力學(xué)的關(guān)聯(lián)，如通過描述粒子振動強(qiáng)度的Debye-Waller因子，或其簡諧近似下的均方位移，或低頻振動模的參與分?jǐn)?shù)來預(yù)測體系中的快慢粒子。然而這些彈性性質(zhì)在較短時(shí)間與動力學(xué)有對應(yīng)關(guān)系，而在較長時(shí)間尺度，如弛豫時(shí)間的尺度，與動力學(xué)關(guān)聯(lián)較弱。尋求新的視角理解玻璃化轉(zhuǎn)變中結(jié)構(gòu)與動力學(xué)的關(guān)聯(lián)顯得尤為重要。
圖1 (a) 對粒子施加一外力，其大小f = 100時(shí) (陰影區(qū)時(shí)間間隔內(nèi))，粒子平均位移隨時(shí)間的變化，黑色虛線表示較長時(shí)間下平均位移趨近一平臺值，即不可逆位移L(T, f)。(b) 不同外力大小時(shí)，不可逆位移L(T, f)隨溫度的依賴規(guī)律。
團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新的探測玻璃體系靜態(tài)結(jié)構(gòu)的手段，具體為，在短時(shí)間內(nèi)，對粒子施加一固定大小，方向隨機(jī)選取的力，觀察撤去力之后，粒子不能回彈的位移，即不可逆位移有多大。圖1(a)展示了當(dāng)對粒子在0.1(約化單位)時(shí)間間隔內(nèi)施加一外力大小為f = 100(約化單位)的力時(shí)，粒子平均位移隨時(shí)間的演化規(guī)律。較長時(shí)間下，此平均位移趨近一平臺值，即黑色虛線標(biāo)出的不可逆位移L(T, f)，顯然，溫度越低，不可逆位移L(T, f)越小。近一步的研究發(fā)現(xiàn)，L(T, f)正比于 T - T 0 (圖1 (b))，其中 T 0為Vogel–Fulcher–Tammann (VFT) 方程預(yù)測的非晶體系的理想玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)，因此，L(T, f)在理想玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)外推為0。進(jìn)一步分離變量，我們可得到L(T, f) = ξ(T)A(f), 其中塑性長度ξ(T)∝( T - T 0 ), A(f) ∝( f - f 0)。塑性長度ξ(T)與體系弛豫時(shí)間存在指數(shù)依賴關(guān)系(圖2)，因此建立了塑性長度與非晶體系慢動力學(xué)的聯(lián)系。
圖2 體系弛豫時(shí)間與塑性關(guān)聯(lián)長度的依賴關(guān)系。
為了探索塑性長度與體系動力學(xué)異質(zhì)性之間的關(guān)聯(lián)，計(jì)算了每個(gè)粒子的同構(gòu)型(iso-configurational ensemble)系綜下的平均均方位移<? r 2CR( t )>iso，并通過Spearman等級相關(guān)系數(shù)定量表征了動力學(xué)參數(shù)<? r 2CR( t )>iso與靜態(tài)參數(shù)的關(guān)聯(lián)。為了對比，靜態(tài)參數(shù)除了我們提出的塑性長度外，還包含三個(gè)常見的通過彈性性質(zhì)定義的量，包括Debye-Waller因子< u 2>，其簡諧近似下的均方位移ψ，以及低頻振動模的參與分?jǐn)?shù)p。結(jié)果表明，彈性性質(zhì)的相關(guān)量僅在較小的振動尺度與動力學(xué)存在關(guān)聯(lián)，而塑性長度在弛豫時(shí)間或更長時(shí)間尺度與動力學(xué)存在關(guān)聯(lián) (圖3)。這展現(xiàn)出塑性長度可能是與體系弛豫行為更相關(guān)的一個(gè)靜態(tài)量。為玻璃化轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)與動力學(xué)關(guān)聯(lián)問題探索了一個(gè)新思路。
圖3 不同的靜態(tài)量包括Debye-Waller因子< u 2>，其簡諧近似下的均方位移ψ，低頻振動模的參與分?jǐn)?shù)p，以及塑性長度ξ與動態(tài)量<<?r2CR(t)>>的Spearman等級相關(guān)系數(shù)S。
相關(guān)工作發(fā)表在Physical Review Letters上，北京理工大學(xué)物理學(xué)院李艷偉研究員為第一作者兼通訊作者，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授和新加坡南洋理工大學(xué)Massimo Pica Ciamarra為論文共同通訊作者。該工作第一單位為北京理工大學(xué)物理學(xué)院，并得到國家自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)青年學(xué)者學(xué)術(shù)啟動計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
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