中國科大在玻璃化轉變研究方面取得重要進(jìn)展

液體在快速降溫或加壓的時(shí)候會(huì )避免結晶而轉變?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，玻璃化轉變是個(gè)普遍存在的物理現象。然而，作為非晶液-固轉變的代表，玻璃化轉變無(wú)法簡(jiǎn)單歸類(lèi)于已知的相變類(lèi)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(shí)候提出了125個(gè)本世紀亟待解決的重大科學(xué)問(wèn)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(lái)嘗試解釋玻璃化轉變，然而至今仍然沒(méi)有哪一個(gè)理論能夠真正解決問(wèn)題。

中科院軟物質(zhì)化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室、微尺度國家實(shí)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，玻璃化轉變溫度完全可以由零溫玻璃的結構和振動(dòng)特性來(lái)預言，從而從固體視角對玻璃化轉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(gè)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(gè)近似大大簡(jiǎn)化了液體的計算，是液體理論發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。然而，近期的研究發(fā)現，在趨于玻璃化轉變的過(guò)冷液體中，吸引作用并不能簡(jiǎn)單視為微擾，如何理解這種非微擾作用因此成為一個(gè)新的挑戰。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(guò)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的零溫玻璃結構上的差異。這種結構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(dòng)頻率和更弱的低頻振動(dòng)模的局域化，從而使得有吸引作用的玻璃更穩定并具有更高的玻璃化轉變溫度，相應的過(guò)冷液體動(dòng)力學(xué)就會(huì )有顯著(zhù)差異。更重要的是，從零溫玻璃的結構和振動(dòng)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構和振動(dòng)物理量表征的玻璃化轉變溫度的經(jīng)驗表達式，該表達式給出的結果與計算機模擬的結果很好地定量吻合。該研究表明玻璃化轉變完全可以從固態(tài)玻璃的特性來(lái)理解，因此為玻璃化轉變的研究開(kāi)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。