近日，中国科大物理系童华教授课题组与日本东京大学Hajime Tanaka教授合作，在理想玻璃特殊结构序的研究中取得重要进展，相关成果以“Emerging exotic compositional order on approaching low-temperature equilibrium glasses”为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）。
几千年来，人类一直被玻璃独特的美丽和物理特性所吸引，用这种材料制作珠宝、容器和各种工具。然而，玻璃形成现象背后的物理原理非常复杂，尚未被充分理解。在玻璃转变过程中，物质从过冷液态转变为固态，在保持液态无序微观结构的同时与有序的晶体一样具有了刚性。玻璃的这种混合属性使其难以被归类于物质固、液、气三态的理论框架之内。什么是理想玻璃态，其具有怎样的结构序，这是凝聚态物理研究的重要课题。
对理想玻璃态的探索的一个基本难题在于，玻璃化转变并非平衡态相变，而是亚稳的过冷液体状态在降温过程中没有足够的时间重新排列自己，被“冻结”在无序构型的过程。也就是说，为了得到理想玻璃，必须避免体系进入全局的热力学平衡态。目前大家熟知的物质在低温下的热力学平衡态包括结晶和相分离，那么是否通过避免结晶和相分离，我们就能得到理想中的无序的玻璃态呢？
童华课题组及其合作者针对近年开发出来的一种专门的液体模型开展计算机模拟研究。这一模型由不同大小的粒子构成，因为可以在不受结晶或相分离干扰的情况下结合交换蒙特卡洛算法实现深度过冷状态而大受欢迎，被广泛应用于玻璃化转变的研究当中。出乎意料的是，本研究在这一模型中发现一种新型的有序结构。通过关注粒子的大小及“配位数”（它测量了粒子周围有多少个邻居），研究人员观察到了系统中一种贯穿全剧的网状结构，该结构在以前的研究中没有报道过。同时，这种奇异的结构排序对结构弛豫动力学有着不同寻常的影响。
低温平衡态玻璃中特殊结构序的出现
该研究成果揭示了在表观无序的物质中可能存在着不同于晶体、准晶，以及相分离状态的特殊结构序，因此，质疑了这一广泛采用的液体模型被认为是理想玻璃形成液体的合理性。同时，研究拓展了对凝聚态物质中可能存在的结构序的认识，将有助于探索玻璃化转变的本质问题，并为模型体系和非晶材料的设计提供新的思路和方法。
中国科大物理系童华教授为论文的第一作者和通讯作者，日本东京大学Hajime Tanaka教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-023-40290-1