中国科学院张楠楠 不同纵横比胶体椭球平移和旋转运动中慢动力学(红色椭圆)和低结构熵(浅蓝色)区域之间的空间相关性
比例尺:20微米
信用:王于人 玻璃具有类似液体的无序结构,但具有类似固体的机械性能
这就引出了玻璃的一个中心谜团:为什么它们不像液体一样流动?这个问题如此重要,以至于它在2005年被《科学》杂志选为125个未回答的关键科学问题之一,也是11个未解决的重要物理问题之一
我们很难观察到原子在零度时的运动
1纳米长度标度和约1纳秒时间标度
然而,幸运的是,科学家们发现胶体系统与原子系统具有相似的相行为
胶体被认为是大的“原子”,揭示了从原子材料中不容易获得的有关相变的微观信息
在过去的十年里,胶体玻璃引起了人们的极大兴趣,导致了许多重要的发现
然而,这些研究大多是关于倾向于形成局部或中等范围晶体结构的球形颗粒
不幸的是,这样的研究不能广泛应用,因为大多数玻璃不是由球体组成的,也没有晶体结构
为了解决这个问题,中国科学院力学研究所和香港科技大学的研究人员最近首次对由非球形粒子组成的玻璃体系进行了实验研究
研究人员发现,单分散椭球体单层是良好的玻璃形成体,不会形成局部晶体结构
因此,它们提供了一个理想的和通用的系统,用于在接近玻璃化转变时检测减速动力学的结构起源
事实上,玻璃成型机有很强的动态异质性,我
e
,有些区域移动很快,有些移动很慢
这些结果表明,具有低结构熵的结构与慢动力学很好地对应,而快速弛豫(流动)区域具有高结构熵
在由球形粒子组成的玻璃中,一些多面体结构通常被认为是慢动力学的原因
然而,一种多面体只存在于某些球体系统中
结构熵衡量一个结构的无序程度,包括各种特定的局部结构
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存在于由球体组成的系统中的病毒多面体
因此,低结构熵是玻璃态物质慢动力学的一般结构特征,它适用于由球体和非球体组成的系统
此外,研究人员观察到静态结构和慢速动力学在理想玻璃化转变点的伊辛样临界行为
这种行为是热力学转变的定量特征,解释了玻璃转变是纯动力学的还是热力学的(结构性的),因为玻璃中没有有序结构
该项研究的相应作者王说:“对椭球玻璃中临界行为的观察为玻璃离子输运的热力学性质提供了更为坚实的定量证据。”
“研究结果为玻璃理论的奥秘以及设计具有高稳定性和玻璃成型能力的材料提供了新的线索
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