物質(zhì)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的本質(zhì)一直是凝聚態(tài)物理的未解難題。探索過冷液體動(dòng)力學(xué)行為減緩與靜態(tài)結(jié)構(gòu)演化的關(guān)系是當(dāng)今玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變研究的一大熱點(diǎn)問題和重要挑戰(zhàn)。中科學(xué)院力學(xué)研究所王育人課題組鄭中玉博士與香港科技大學(xué)韓一龍博士合作，以二維膠體橢球系統(tǒng)為模型體系，研究了玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)起源問題，揭示了過冷液體的運(yùn)動(dòng)減緩起源于靜態(tài)構(gòu)型熵的降低和亞穩(wěn)態(tài)團(tuán)簇尺度的增大。
玻璃態(tài)是具有固體的力學(xué)性質(zhì)和類似液體的無序結(jié)構(gòu)。玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，過冷液體的動(dòng)力學(xué)行為急劇減緩，粘度和力學(xué)強(qiáng)度急劇增大，而靜態(tài)結(jié)構(gòu)卻沒有明顯變化。玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?cè)从跓崃W(xué)奇點(diǎn)還是純運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)變一直在理論上存在較大爭(zhēng)議，動(dòng)力學(xué)行為減緩與靜態(tài)結(jié)構(gòu)演化的關(guān)系是多種玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變理論的基礎(chǔ)。針對(duì)目前廣為研究的圓球體系，主要有非晶序和晶體序兩種結(jié)構(gòu)特征被提出，其中二十面體結(jié)構(gòu)被認(rèn)為對(duì)玻璃化非常重要。然而，實(shí)際過冷液體的結(jié)構(gòu)往往難于觀測(cè)和捕捉。膠體系統(tǒng)具有微米量和粒子尺度和秒量運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度，其粒子運(yùn)動(dòng)軌跡和結(jié)構(gòu)可通過顯微觀測(cè)和粒子追蹤方法得到量化統(tǒng)計(jì)，被認(rèn)為是研究物質(zhì)相變的理想模型體系。相比于廣泛研究的圓球系統(tǒng)，實(shí)際上大多數(shù)分子和粒子并非球形，然而人們對(duì)非球形顆粒系統(tǒng)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變卻了解甚少。研究二維膠體橢球系統(tǒng)，它不僅更接近真實(shí)系統(tǒng)，且平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的祛耦合可以揭示隱藏于圓球系統(tǒng)中的新現(xiàn)象和規(guī)律。
研究人員利用顯微觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和蒙特卡洛模擬相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)膠體橢球系統(tǒng)中并沒有類似圓球系統(tǒng)中二十面體的明顯局域結(jié)構(gòu)。通過統(tǒng)計(jì)分析粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)空關(guān)聯(lián)性和集體運(yùn)動(dòng)行為，研究人員對(duì)過冷液體中粒子平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)弛豫過程和動(dòng)態(tài)非均勻時(shí)空尺度進(jìn)行定量表征；通過鑒定粒子局域亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)和構(gòu)型熵，對(duì)粒子局域結(jié)構(gòu)空間尺度演變進(jìn)行定量表征。研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，過冷液體慢速粒子團(tuán)簇和運(yùn)動(dòng)不均勻性的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)空間尺度，以及局域非晶亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)和局域構(gòu)型熵的靜態(tài)關(guān)聯(lián)空間尺度均呈現(xiàn)相同的冪指數(shù)發(fā)散行為（圖一、圖二）。這揭示了過冷液體的運(yùn)動(dòng)減緩起源于靜態(tài)構(gòu)型熵的降低和亞穩(wěn)態(tài)團(tuán)簇尺度的增大，并非源于某種局域非晶結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)；并揭示玻璃體轉(zhuǎn)變很可能是一種Ising-type臨界現(xiàn)象而非隨機(jī)一階相變。此外，他們還研究了不同長(zhǎng)徑比的橢球體系，發(fā)現(xiàn)隨長(zhǎng)徑比增大，系統(tǒng)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)同步和兩步玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變行為（圖二），并且具有截然不同的結(jié)構(gòu)弛豫行為、動(dòng)態(tài)不均勻性以及局域結(jié)構(gòu)特性（圖一）。此發(fā)現(xiàn)表明粒子形狀的各向異性對(duì)系統(tǒng)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為具有重要影響。
該工作在線發(fā)表于5月8日的《自然-通訊》雜志上（鄭中玉，倪然，王峰，Dijkstra Marjolein，王育人，韓一龍. Structural signatures of dynamic heterogeneities in monolayers of colloidal ellipsoids , Nature Communications, DOI: 0.1038/ncomms4829）。
該研究工作得到了科技部“973”計(jì)劃和家自然科學(xué)基金的資助。
