近日，中國科大物理學(xué)院童華教授課題組與日本東京大學(xué)Hajime Tanaka 教授合作，在理想玻璃特殊結(jié)構(gòu)序的研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Emerging exotic compositional order on approaching low-temperature equilibrium glasses”為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

幾千年來，人類一直被玻璃獨(dú)特的美麗和物理特性所吸引，用這種材料制作珠寶、容器和各種工具。然而，玻璃形成現(xiàn)象背后的物理原理非常復(fù)雜，時(shí)至今日尚未被充分理解。在玻璃轉(zhuǎn)變過程中，物質(zhì)從過冷液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在保持液態(tài)無序微觀結(jié)構(gòu)的同時(shí)與有序的晶體一樣具有了剛性。玻璃的這種混合屬性使其難以被歸類于物質(zhì)固、液、氣三態(tài)的理論框架之內(nèi)。什么是理想玻璃態(tài)，其具有怎樣的結(jié)構(gòu)序，這是凝聚態(tài)物理研究的重要課題。

探索理想玻璃和玻璃化轉(zhuǎn)變的一個(gè)基本難題在于，玻璃化轉(zhuǎn)變并非平衡態(tài)相變，而是亞穩(wěn)的過冷液體狀態(tài)在降溫過程中沒有足夠的時(shí)間重新排列自己，被“凍結(jié)”在無序構(gòu)型的過程。也就是說，為了得到理想玻璃，必須避免體系進(jìn)入全局的熱力學(xué)平衡態(tài)。目前大家熟知的物質(zhì)在低溫下的熱力學(xué)平衡態(tài)包括結(jié)晶和相分離，那么是否通過避免結(jié)晶和相分離，我們就能得到理想中的無序的玻璃態(tài)呢？

童華課題組及其合作者針對(duì)近年發(fā)展出來的一種專門的液體模型展開計(jì)算機(jī)模擬研究。這一模型由不同大小的粒子構(gòu)成，因?yàn)榭梢栽诓皇芙Y(jié)晶或相分離干擾的情況下結(jié)合交換蒙特卡洛算法實(shí)現(xiàn)深度過冷狀態(tài)而大受歡迎，被廣泛應(yīng)用于玻璃化轉(zhuǎn)變的研究當(dāng)中。出乎意料的是，本研究在這一模型中發(fā)現(xiàn)一種新型的有序結(jié)構(gòu)。通過細(xì)致表征粒子的大小及“配位數(shù)”（它測量了粒子周圍有多少個(gè)鄰居）信息的空間分布，研究人員觀察到系統(tǒng)中存在一種貫穿全劇的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)在以前的研究中沒有報(bào)道過。同時(shí)，這種奇異的結(jié)構(gòu)排序?qū)�結(jié)構(gòu)弛豫動(dòng)力學(xué)有著不同尋常的影響。

低溫平衡態(tài)玻璃中特殊結(jié)構(gòu)序的出現(xiàn)

該研究成果揭示了在表觀無序的物質(zhì)中可能存在著不同于晶體、準(zhǔn)晶，以及相分離狀態(tài)的特殊結(jié)構(gòu)序，因此，質(zhì)疑了這一廣泛采用的液體模型被認(rèn)為是理想玻璃形成液體的合理性。同時(shí)，研究拓展了對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)中可能存在的結(jié)構(gòu)序的認(rèn)識(shí)，將有助于探索玻璃與玻璃化轉(zhuǎn)變的本質(zhì)問題，并為模型體系和非晶材料的設(shè)計(jì)提供新的思路和方法。

中國科大物理系童華教授為論文的第一作者和通訊作者，日本東京大學(xué)HajimeTanaka教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40290-1