Phys. Rev. Lett.：揭示非晶形成液體中結構弛豫與動力學不均勻性之間的關聯

【引言】

通過快速降溫來抑制結晶過程，液體將會轉變成過冷液體（supercooled liquid），并在一定的溫度時發生玻璃轉變(glass transition)形成非晶態的玻璃。在特定的條件下，幾乎所有的物質都能夠轉變成玻璃態，可見玻璃轉變是自然界中普遍存在的現象。然而，玻璃和玻璃轉變的本質仍然是一個未解之謎，并被《科學》雜志列為125個科學前沿問題之一，是最具挑戰性的基礎物理問題和當今凝聚態物理的重大前沿之一。近十幾年來，玻璃化轉變研究中的一個重要進展是發現了過冷液體具有動力學非均勻性（dynamic heterogeneity）。所謂動力學非均勻性，是指在一定的觀測時間范圍內，過冷液體中某些區域粒子的動力學行為快，而另一些區域粒子的運動學行為慢，從而造成了其動力學特征在空間分布上的非均勻性。大量的理論和實驗研究表明，隨著溫度的降低，過冷液體的動力學非均勻性會伴隨著結構弛豫時間的增大而增強。因此，人們普遍認為可以從動力學非均勻性的角度來理解趨向于玻璃轉變的過程中所觀測到的結構弛豫變慢現象。此外，不同過冷液體的弛豫變慢隨溫度改變的趨勢也不盡相同，人們引入了脆度（kinetic fragility）這一參量來定量地描述這種趨勢，并提出了強液體（strong liquid）和 脆液體（fragile liquid）的概念，但造成各液體間這一差異的物理本質還并不清楚，而對于這一本質的闡明將幫助我們更好地理解玻璃轉變和玻璃的本質。

【成果簡介】

近日，北京計算科學研究中心的管鵬飛研究員和中國科學技術大學的徐寧教授、中科院物理所的汪衛華院士合作，在Physical Review Letters上發表最新研究成果“Revealing the Link between Structural Relaxation and Dynamic Heterogeneity in Glass-Forming Liquids”。該文章第一作者為北京計算科學研究中心王利近博士。

文章首次發現了過冷液體的動力學非均勻性和脆度之間的定量關系，并從恒定動力學非均勻性的角度出發，給出了弛豫時間隨溫度變化的普適描述，揭示了過冷液體中動力學非均勻性與結構弛豫之間的內在關聯性。

【圖文導讀】

圖1：經標度歸一的過冷液體動力學表征。

(a) 對不同勢函數和壓力的系統，結構弛豫時間τ與標度歸一溫度T_ref/T組成的Angell圖；

(b) τ和α_2,max的關聯。

圖2：動力學不均勻性、弛豫時間和脆度之間的定量關系。

(a) 非高斯參量的最大值α_2,max與衰減結構弛豫時間τ/τ*的比值；

(b) τ*和動力學脆度m之間的關系；

(c)? τ和τ_α2,max之間的普適標度。

(d) α_2,max與標度歸一溫度T*/T的比值。

_?圖3：歸一化的結構弛豫時間τ/τ*與標度歸一溫度T*/T的比值。

圖中曲線為VFT、MC、ECG、AM以及MYEGA形式的擬合曲線。內插圖為Hertz系統在P=5x10^-7壓強下的弛豫時間τ(T)，對應主圖中陰影區域的歸一化數據。

【小結】

通過對不同類型過冷液體（包括金屬玻璃體系）動力學特性的計算模擬研究發現，過冷液體的脆度決定了其弛豫時間和動力學非均勻性之間的定量關系：即在恒定弛豫時間下（或觀測時間內），具有相同脆度的各類型過冷液體具有相同的動力學非均勻性；過冷液體的脆度越大，其動力學非均勻性越強。進而給出了過冷液體中動力學非均勻性、弛豫時間和脆度之間的定量關聯性，闡明了各過冷液體脆度的不同是起源于其動力學非均勻性差異的觀點。并從恒定動力學非均勻性的角度出發，得到對各過冷液體結構弛豫的普適描述：對于不同類型的過冷液體，相同的動力學非均勻性狀態下，可以得到各體系的特征時間尺度和特征溫度，利用這兩個特征參量可以很好地對所有過冷液體的弛豫時間和溫度之間關系進行標度歸一。這一研究結果表明，動力學非均勻性在認識過冷液體動力學特性，乃至對玻璃化轉變本質的理解方面有著十分重要的地位。

對過冷液體動力學非均勻性的研究和理解，不僅僅可以幫助我們認識過冷液體本身，也對認識非晶材料，包括非晶合金有著重要的意義。非晶被認為是一種處于非平衡態的“凍結的液體”，非晶合金的結構和很多特性被認為遺傳自發生玻璃轉變前的過冷液體，其中非晶合金中非均勻性的本源就是由于玻璃形成液（過冷液體）的非均勻性。過冷液體中動力學非均勻性也伴隨著密度、結構及元素分布的非均勻性，研究這些非均勻性之間的關聯將幫助我們更好地理解非晶合金的結構及其相關物性，是非常有意義的課題。此外，目前在膠體和高分子體系中，人們已經可以通過實驗手段來測量相應過冷液體的動力學非均勻性，該理論模擬研究成果預計將引起大家的關注并驗證。

該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京計算科學研究中心、中科院的資助。

文獻鏈接：Revealing the Link between Structural Relaxation and Dynamic Heterogeneity in Glass-Forming Liquids（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.125502）

【團隊介紹】

管鵬飛

北京計算科學研究中心，研究員，博士生導師，

2014年入選中組部“青年千人計劃”。

主要研究領域：

主要從事計算物理和計算材料科學研究，基于計算機模擬、理論分析并結合相關實驗研究，探索非晶態形成及相關特性的物理本質，研究非晶態物質的結構、物性及其關聯；表面/界面物理，研究低維功能材料宏觀物性的微觀機制；合金材料形變機制等。

學術兼職：

中國材料學會計算材料分會委員會委員

中國金屬學會非晶合金與應用分會委員會委員

近5年科研項目、論文、獎勵概況：

2014年入選中組部“青年千人計劃”。主持和參與國家千人計劃青年項目，國家自然科學基金面上項目及科技部重點研發計劃等。目前已發表SCI期刊論文60多篇，包括Nature Materials 2 篇、Phys. Rev. Lett. 6篇、Advanced Materials 2 篇、Nature Communications 4 篇、JACS 1篇。

代表性論文：

1. Lijin Wang, Ning Xu, Weihua Wang, Pengfei Guan^*, Physical Review Letters 120, 125502, 2018
2. Yuan Chao Hu, Yi Zhi Wang, Rui Su, Cheng Rong Cao, Fan Li, Chun Wen Sun^*, Yong Yang, Peng Fei Guan^*, Da Wei Ding, Zhong Lin Wang, Wei Hua Wang^*. Mater. 28 (46), 10293 (2016)
3. Guan, S. Lu, M. J. B. Spector, P. K. Valavala and M. L. Falk^*, Physical Review Letters 110, 185502, 2013.
4. F. Guan, T. Fujita, A. Hirata, Y. H. Liu and M. W. Chen*, Physical Review Letters 108 175501, 2012.
5. Guan, M. Chen and T. Egami, Physical Review Letters 104, 205701, 2010.

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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