二維體系熔化形態

材料牛注：密歇根大學Sharon Glotzer領導的研究團隊探索了二維體系中顆粒形狀是如何影響固-液熔融過渡物理學的。研究表明，顆粒的形狀和對稱性均顯著影響熔化過程，其中六邊形系統完全遵循眾所周知的2-D熔融理論。該發現將有助于指導研究人員在能源應用中尋找具有理想性能的納米顆粒。

雖然熔化是日常生活中的常見現象，且在許多工業和商業過程中發揮著重要作用，但是熔化過程中相變轉化的基本原理仍有待研究。

2015年，由密歇根大學Sharon Glotzer領導的團隊在能源部（DOE）Oak Ridge國家實驗室中使用高性能計算來研究二維（2-D）系統中的熔化，從而了解到材料表面的相互作用（材料對技術來說很重要，如太陽能電池板）以及三維熔化的機理。該團隊探索了二維體系中顆粒形狀是如何影響固-液熔融過渡物理學的。

該團隊的研究表明，顆粒的形狀和對稱性均顯著影響熔化過程。 這一根本性發現將有助于指導研究人員在能源應用中尋找具有理想性能的納米顆粒。

密歇根大學研究科學家Joshua Anderson說：“在我們模擬的二維環境中，我們發現熔融轉變遵循三種不同情況中的某一種，而具體遵循何種情況取決于系統多邊形的形狀。值得注意的是，我們發現由六邊形系統完全遵循眾所周知的2-D熔融理論，這一點迄今為止尚未提及。”

在諸如細化冰柱的3-D系統中，熔融呈現一階相變的形式。這意味著在這些系統內分子團以固體或液體形式存在，在潛熱（促進固液相變的能量）存在的情況下不存在中間相。在二維系統中，如在電池和其它技術中使用的薄膜材料中，熔化可能會更復雜，有時會出現六方相這種中間相。

20世紀70年代，研究人員John Kosterlitz，David Thouless，Burt Halperin，David Nelson和Peter Young率先研究了六方相，其狀態處于有序固體和無序液體之間。這種狀態是KTHNY理論的一個主要特點。KTHNY理論是由研究人員定義的二維熔化理論，并根據姓氏的第一個字母命名。

在分子水平上，原子的排列決定著固相，六方相和液相系統。晶體中原子排列有平移和定向兩種類型。平移排列的原子間距一定，就像精心構造的Jenga塔中的磚塊一樣。定向排列中原子和原子組間距上的一致關系和聚類順序。可以想象Jenga塔在幾輪游戲后變得傾斜。雖然塔的大致形狀保持不變，但其排列順序已經改變。

六方相不具有平移順序，但具有定向順序。（液相既不具有平移順序也不具有定向順序，但是短程有序，這就意味著任何原子都具有平均原子數，但排列順序不可預測。）

要確定是否存在六方相，需要使用能夠計算大量硬粒子系統的高級計算機Titan。研究模擬展示了不同多邊形的熔化情況。具有七邊及七邊以上的多邊形系統更嚴格地遵循硬盤或圓的熔融特性，即從固相到六方相是連續相變，從六方相到液相為一階相變。連續相變就是說體積隨著外部壓力的變化而連續變化。一階相變則不同，當外部壓力變化時，體積的變化不連續，呈突變性。該團隊發現五邊形及其中兩邊長度不等的不規則五邊形呈現出一階固相到液相的相變。

然而，最重要的發現來自六邊形系統，其完全遵循KTHNY理論所描述的相變。在這種情況下，粒子從固相轉變為六方相，再從六方相轉變為液相，這是完美的連續相變模式。安德森說：“到目前為止還無人發現這個問題，真是令人驚訝。因為具有六條邊的六邊形和蜂窩狀六邊形的排列似乎完全符合這個理論。”該理論中六方相通常包含六重取向順序。

Glotzer的團隊目前正在應用其領導級計算能力來解決3-D相變問題。該團隊專注于研究流體顆粒如何結晶成復雜膠體——顆粒懸浮在另一種物質中形成的混合物。常見的膠體有牛奶、紙、霧、彩色玻璃等。安德森說：“我們正計劃使用Titan來研究簡單的相互作用如何產生復雜性，同時觀察晶體如何生長，并研究其中的動力學。”

原文鏈接：The Shape of Melting in Two Dimensions.

本文由材料人編輯部丁菲菲提供素材，王冰編譯，點我加入材料人編輯部。

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