上海交大研究团队揭示玻璃化转变的结构机制

近日，上海交通大学物理与天文系王宇杰研究组在《自然－通讯》［Nat. Commun., 6, 8409 (2015)］杂志上发表了题为Structural origin of hard-sphere glass transition in granular packing system的论文。通过研究硬球玻璃的模型体系颗粒体系，揭示玻璃化转变可能是一种特殊的结构相变。

液体在快速降温时会避免结晶而形成过冷液体，其间伴随着粘滞系数快速增加十几个数量级，最终发生玻璃化转变，形成玻璃态。玻璃化转变问题是凝聚态物理中最重要的问题之一。诺贝尔物理学奖获得者、普林斯顿大学P.W. Anderson在1995年写到The deepest and most interesting unsolved problem in solid state theory is probably the theory of the nature of glass and glass transition.玻璃化转变问题也是Science杂志在2005年列举的125个尚未解决的重大科学问题之一。

关于玻璃化转变的机理存在非常多的理论，迄今没有公认的解答。传统意义上，玻璃化转变温度的高低与体系的降温速度有关，因此一般使用转变来表明其不是一个严格定义的热力学相变。过去二十几年的研究发现在玻璃化转变温度附近会有动力学的协同效应（dynamic heterogeneity）的出现，表明玻璃化转变可能是一种动力学相变。但另一方面，在转变温度附近一些热力学量存在着一定程度的跃变，而且体系的弛豫时间和位形熵满足经验的Adam-Gibbs关系，这又暗示着玻璃化转变与普通的热力学相变存在一定联系。玻璃化转变是否是热力学相变，或是类似于晶体结晶过程是一个结构相变，这一直是困扰凝聚态物理研究的一个核心问题。

图1：J. D. Bernal和他的球堆模型

颗粒体系是研究玻璃化转变问题的一个重要的模型体系，在玻璃研究尤其是金属玻璃体系中有很重要的影响。事实上，早在上世纪六十年代，著名的英国科学家J.D. Bernal就率先利用球形颗粒堆积来模拟液体和玻璃结构，并且深刻地洞见了其中的联系（图1）。不同于基于分子原子玻璃体系的实验研究，宏观模型体系具有非常类似的物理过程，但是由于其单元具有宏观大小，可以允许对体系进行微观结构、动力学和热力学的研究。对揭示玻璃转变的物理机制具有非常大的优势。

图2：颗粒体系中四面体结构形成的团簇，从(a)到(d)体系堆积密度逐渐减小

在上述研究工作中，王宇杰研究组利用上海光源13W线站和美国阿贡国家实验室的先进光源32ID线站的同步辐射高速CT成像技术，对三维的颗粒堆积体系的微观结构及动力学进行了实空间的成像。研究发现颗粒体系中的玻璃化转变可能是非常类似于晶体结晶过程的一种特殊结构相变。其对应的玻璃结构序是一种局部紧密堆积的四面体结构，这些四面体结构可以生长形成具有分形结构的团簇，同时其形状及大小的增长符合位形熵驱动的成核模型，这些都非常类似于快速降温的晶体生长模型。同时他们也发现结构对关联函数对该种结构序非常不敏感。这也解释了为何长期以来学术界公认玻璃化转变不对应于结构上的太大变化，因为过去几乎所有的玻璃结构研究都基于散射技术(结构对关联函数的傅立叶变换)。

该项研究表明玻璃化转变也许是类似于结晶过程的一种普通结构相变，为玻璃化转变这一困惑了学术界近50年的问题的最终解决提供了非常重要的实验证据。

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