中國科大在玻璃化轉(zhuǎn)變研究方面取得重要進展

液體在快速降溫或加壓的時候會避免結(jié)晶而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)的玻璃，幾乎所有凝聚態(tài)體系都可以形成玻璃態(tài)，因此，玻璃化轉(zhuǎn)變是個普遍存在的物理現(xiàn)象。然而，作為非晶液-固轉(zhuǎn)變的代表，玻璃化轉(zhuǎn)變無法簡單歸類于已知的相變類型，從而使它的相變本質(zhì)成為困擾凝聚態(tài)物理多年的難題。Science在創(chuàng)刊125周年的時候提出了125個本世紀(jì)亟待解決的重大科學(xué)問題，“玻璃態(tài)的本質(zhì)是什么”就位列其中。歷史上有很多理論被提出來嘗試解釋玻璃化轉(zhuǎn)變，然而至今仍然沒有哪一個理論能夠真正解決問題。

中科院軟物質(zhì)化學(xué)重點實驗室、微尺度國家實驗室和物理系的徐寧教授研究組一直從事非晶固體本質(zhì)和非晶液-固轉(zhuǎn)變的理論研究，研究組的博士生王利近和徐寧教授研究發(fā)現(xiàn)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度完全可以由零溫玻璃的結(jié)構(gòu)和振動特性來預(yù)言，從而從固體視角對玻璃化轉(zhuǎn)變做出了嶄新的詮釋。該研究的論文發(fā)表于2月7日的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 112, 055701 (2014)]。

液體理論有一個重要的近似：雖然液體分子間存在吸引，但是液體的熱力學(xué)性質(zhì)主要是由分子間的排斥作用決定，吸引僅是微擾。這個近似大大簡化了液體的計算，是液體理論發(fā)展的一個重要里程碑。然而，近期的研究發(fā)現(xiàn)，在趨于玻璃化轉(zhuǎn)變的過冷液體中，吸引作用并不能簡單視為微擾，如何理解這種非微擾作用因此成為一個新的挑戰(zhàn)。王利近博士和徐寧教授獨辟蹊徑地從零溫玻璃的角度解釋了過冷液體中吸引作用的非微擾作用：這種非微擾作用完全源于有吸引作用體系和純排斥作用體系對應(yīng)的零溫玻璃結(jié)構(gòu)上的差異。這種結(jié)構(gòu)差異使得有吸引作用的玻璃擁有比純排斥作用的玻璃更高的特征振動頻率和更弱的低頻振動模的局域化，從而使得有吸引作用的玻璃更穩(wěn)定并具有更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，相應(yīng)的過冷液體動力學(xué)就會有顯著差異。更重要的是，從零溫玻璃的結(jié)構(gòu)和振動特性出發(fā)，王利近博士和徐寧教授提出了完全由零溫玻璃的結(jié)構(gòu)和振動物理量表征的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的經(jīng)驗表達式，該表達式給出的結(jié)果與計算機模擬的結(jié)果很好地定量吻合。該研究表明玻璃化轉(zhuǎn)變完全可以從固態(tài)玻璃的特性來理解，因此為玻璃化轉(zhuǎn)變的研究開辟了全新的思路。

這項研究得到了基金委、科技部、中科院和教育部的支持。