科研动态
颗粒体系中非晶转变机制

日期:2014-11-17 阅读:949

信息来源:王宇杰研究组

近日,上海交通大学物理与天文系王宇杰特别研究员的研究组在《自然-通讯》【Nature Communications 5, 5014 (2014)】杂志上发表了题为“Similarity of wet granular packings to gels”的论文,为理解玻璃化转变结构机理提供了新的线索。

玻璃化转变是凝聚态物理中最难解决的问题之一。在最近几十年内物理学家们对其进行了广泛深入的研究,但迄今为止还没有一个公认的基础理论框架。短程与长程几何结构不匹配作为一种重要的玻璃化转变理论,认为具有五轴对称性的局部结构处于能量最低态,但无法像晶体长程序一样有效地铺满全空间,正是由于这些结构在玻璃转变温度的增加导致了体系的弛豫时间的快速增长而产生玻璃转变。该机制在金属玻璃及胶体实验中都得到了一定的支持。

作为软物质体系的一种,颗粒物质是完全非热平衡的。但是有很多理论研究猜想在非平衡体系中,发生非晶相变与热平衡体系玻璃转变有非常类似的结构机制。过去对颗粒体系的研究因受限于实验技术无法穿透一般不透明的颗粒材料而一直发展缓慢。作为高速X射线成像技术的发展者,王宇杰研究组在最近几年首先将高速同步辐射X射线成像技术应用于研究非平衡态的颗粒体系。该组利用高通量的同步辐射可以快速得到颗粒体系的实空间结构及动力学,在非晶相变及非晶固体的塑性形变研究上取得了一定的进展。在这篇论文中,他们对用于模拟具有相互吸引作用的原子体系的湿颗粒堆进行三维CT成像,在其中找到了与胶体体系中相似的具有五轴对称性的局部最优结构,并且发现这些结构在体系变密的过程中有显著的变化(下图是湿颗粒堆中局部最优结构的演变曲线)。这项结果支持了上述的玻璃化转变的几何机制。同时,他们对比了模拟硬球体系的的干颗粒堆,发现其局域结构与有吸引相互作用的体系完全不同。这种区别暗示硬球体系可能有不同的结构短程序。相比之下,两种体系的结构对相关函数变化微小,表明玻璃化转变过程中,更高阶的结构相关函数起着重要的作用,而这些高阶相关函数不能被简单的倒易空间的散射技术得到,而必须求助于实空间成像,从而体现了非晶体系研究中三维实空间成像技术的重要性。

颗粒体系一方面作为统计物理的模型体系可以研究非晶体系的形成及塑性形变机理,同时作为一个多尺度耦合耗散体系,其自身的敏感性会产生许多复杂的力学、动力学现象。对这些现象的研究可以帮助我们理解颗粒材料的加工、存储及运输过程,理解山体塌方、泥石流、雪崩、地震等自然灾害现象。所以用同步辐射X光成像技术研究颗粒体系具有重要的基础研究及应用价值。

本工作受到了国家自然科学基金(No.11175121)和科技部973项目(No.2010CB834301)的资助。

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