中國科大揭示硬球膠體玻璃的本質

2020-11-22 中國政府網

中國科大揭示硬球膠體玻璃的本質

中央政府門戶網站　www.gov.cn 2015-02-02 10:31 來源： 中科院網站

    液體在快速降溫避免結晶的情況下會形成典型的非晶固體-玻璃，玻璃化轉變的機理和玻璃的本質是困擾凝聚態物理學界多年的難題。膠體體系在密度快速增大時也可以形成膠體玻璃，相比於原子分子體系，膠體體系由於空間和時間尺度的觀測優勢，成為目前實驗研究玻璃化轉變機理的理想模型體系，而硬球膠體由於作用勢簡單成為研究膠體玻璃化轉變的典型體系。 

　　硬球膠體玻璃中的顆粒長時間在平衡位置附近振動而無法逃逸。然而，如果降至零溫，使得顆粒的運動速度為零，該體系將由於顆粒不相接觸而喪失剛性，這也就轉化為硬球體系靜態堆積的問題。靜態堆積的硬球只有當堆積密度達到無規密堆積密度、發生Jamming轉變的時候才會形成有剛性的非晶固體。近期的研究表明Jamming轉變密度高於硬球膠體的玻璃化轉變密度，因此，處於這兩個密度之間的硬球膠體玻璃表現出奇異性：零溫的時候體系沒有剛性，而一旦有熱運動的介入，體系馬上形成有剛性的固體。是什麼原因導致了硬球膠體玻璃的特殊性？硬球膠體玻璃是否會挑戰我們對固體的認知？

　　中國科學技術大學教授徐寧課題組延續之前對膠體玻璃化轉變和Jamming轉變關聯性的系列研究[Nature459,230(2009)；SoftMatter9,2475(2013)]，揭示了硬球膠體玻璃的本質：與以往我們對固體的認識不同，硬球膠體玻璃是不能承載可嚴格定義的橫向成分聲子的固體。該研究成果發表於1月23日的《物理評論快報》上。

　　該課題組的博士生王錫朋等人通過計算具有純排斥相互作用的軟球膠體玻璃的動力學結構因子，獲得了聲音傳播的色散關係和衰減因子，進而獲得了聲子的波長和平均自由程信息。由於結構無序，聲子受到強烈散射，當聲子的波長與其平均自由程相當的時候，即達到Ioffe-Regel極限的時候，聲子的定義將出現問題。高於Ioffe-Regel極限頻率的本徵振動模式由于波長大於平均自由程而缺乏粒子性將不能被嚴格定義為聲子。該課題組前期的工作表明，軟球膠體體系在溫度恆定的條件下，隨著密度的增大先後經歷玻璃化轉變和類Jamming轉變；在零溫極限下即演化成上述的硬球膠體的玻璃化轉變和Jamming轉變。在這項工作中，他們發現當密度高於類Jamming轉變密度時，軟球膠體玻璃的橫向和縱向Ioffe-Regel極限頻率都大於零，因此該密度範圍內的膠體玻璃（被稱為GlassTL）同時具備可嚴格定義的橫向和縱向成分的聲子，屬於我們預期的正常的固體。然而，橫向和縱向Ioffe-Regel極限頻率分別在類Jamming轉變和玻璃化轉變處降為零，因此，處於兩個轉變之間的軟球膠體玻璃（被稱為GlassL）只能承載有效的縱向成分的聲子，在零溫極限下該區域恰好對應的是硬球玻璃存在的區域。

　　由於本徵振動模式是決定固體系列特性的基礎，橫向成分的振動不能被嚴格定義為聲子應該是決定以上所述硬球膠體玻璃奇異性的根源。該課題組繼而計算了硬球膠體玻璃的彈性模量，發現剪切模量和體積模量之比隨著密度的增大而減小，在Jamming轉變處降為零。這種密度依賴性與Jamming轉變之上的軟球膠體玻璃截然相反，而這應該是硬球膠體玻璃特殊本質的體現。

　　固體中橫向成分的振動都不能被嚴格定義為聲子是個令人驚奇的發現，但同時也暗示了用硬球膠體體系來理解原子分子體系的玻璃化轉變可能存在著問題。審稿人評價說：「這是一個新的、非常重要的結果。它將導致我們對Jamming和玻璃化轉變更加深刻的認識，因此是該領域的一項重要進展」、「該工作新奇、有趣而且激勵了在這個方向的進一步研究」。

　　上述工作得到了基金委、科技部和中科院的支持。

責任編輯： 傅義洲

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