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    中國科大在玻璃形成能力研究中取得重要進展
    2020-07-13

    來源: https://www.ustc.edu.cn/2020/0629/c15852a434544/page.htm 

    我校物理學院徐寧教授研究組在雙組分材料體系的玻璃形成能力的研究中取得了重要進展,相關成果2020624日在線發表于《自然通訊》(Nature Communications)真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。

    液體在快速降溫或加壓的情況下會避開結晶而形成過冷液體,并可能在更低的溫度下形成玻璃。玻璃是典型的非晶固體,結構與液體相似,在形成過程中也沒有典型的相變特征,因此,玻璃的本質是長期困擾凝聚態物理和材料科學界的一個難題。幾乎所有的液體在特定條件下都可以形成玻璃,然而,不同的材料形成玻璃的能力有顯著的差異。探索玻璃形成能力的控制因素對于玻璃材料的制備、理解玻璃化轉變和玻璃的本質有重要的意義。

    由單一原子或顆粒構成的體系真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,由于易結晶,玻璃形成能力一般很差≌嫒擞蜗?真人游戏平台-真人游戏网;衔锘虿煌M分組成的材料由于組成單元結構的復雜性以及在尺寸等方面的差異,可以形成幾何結構阻挫來阻礙結晶真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,從而利于玻璃的形成。在眾多玻璃形成體系中真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,較為簡單的一類是由兩種粒徑不同的圓球構成的模型體系(簡稱雙分散體系)真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,研究表明,這種體系的玻璃形成能力與兩種組分的粒徑比和占比有關。以往的研究主要基于幾何阻挫(熵效應)來探討影響玻璃形成能力的因素,能量效應對玻璃形成能力的影響討論得較少真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。

    徐寧研究組以雙分散體系為研究對象,采用了兩類被廣泛使用的粒子間相互作用勢:純排斥的HarmonicLennard-Jones作用勢真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。這兩類作用勢的差異在于:當粒子間距為零時,Harmonic作用勢依然有限(我們因此稱其為軟芯作用勢),而Lennard-Jones作用勢趨于無窮。正是由于這種差異,兩類作用勢體系的熔化真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网、玻璃化轉變等固-液轉變溫度有截然不同的壓強依賴:Lennard-Jones體系的轉變溫度隨壓強單調增加,而Harmonic體系則會出現非單調變化并出現轉變溫度的極大值。該研究發現,由于這種差異,Lennard-Jones體系的玻璃形成能力在高密度區明顯強于Harmonic體系。簡單的量綱分析表明,雙分散體系中的兩類組分會體會到不同的有效熔化溫度真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,從而形成熔化溫度差真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,該熔化溫度差對壓強的依賴關系可以用來理解HarmonicLennard-Jones體系在高密度區玻璃形成能力的差異:如果熔化溫度差與壓強呈線性,體系將維持低壓極限下的玻璃形成能力,否則,玻璃形成能力將變弱;Harmonic體系與Lennard-Jones體系相比,熔化溫度有顯著的非線性壓強依賴。因此,該研究表明,表征非平衡體系性質的玻璃形成能力與熱力學平衡溫度有潛在的關聯,從而建立起了非平衡和平衡體系的聯系真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。該研究同時給出了通過調節作用勢的強弱來調控玻璃形成能力的新方案真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,并且指出真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,熔化溫度和壓強之間有好的線性關系的材料有利于玻璃的形成真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。

    雙分散Harmonic粒子體系形成的固體結構隨壓強的變化。黃色和藍色用來區分兩種不同粒徑的粒子,從左往右壓強遞增真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网??梢钥闯?,隨著壓強增大,兩種粒子的分離越發明顯真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,表明玻璃形成能力變弱。

    審稿人評論說:“這篇文章研究的主題非常有趣,是最先仔細研究壓強效應的代表工作之一。量綱分析有趣而且原創,特別是與粒子剛度之間的聯系真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。The  topic of the manuscript is of great interest, and the results obtained  here represent one of the first studies in which pressure effects are  carefully examined. The dimensional analysis is interesting and  original, particularly in relation to the particle stiffness.”真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网;“我贊賞這項工作的原創性真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网,它揭示了兩種組分的有效溫度和精心設計的能量阻挫可以優化玻璃形成能力真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。I  appreciate the originality of this work, which reveals that the  effective temperatures of the two species and well-tailored energy  frustration can optimize TGA.”。

    該工作的第一作者是聶運歡,通訊作者是徐寧教授真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。這項工作得到了國家自然科學基金委的支持真人游戏-真人游戏平台-真人游戏网。

    論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16986-z


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