當(dāng)前位置:首頁(yè)>科技> 玻璃態(tài)液體的奧秘
發(fā)布時(shí)間:2025-10-22閱讀( 10)
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玻璃是一種非常有趣的物質(zhì),它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)介于固體和液體之間。當(dāng)我們把一種液體冷卻到足夠低的溫度時(shí),它的分子運(yùn)動(dòng)會(huì)變得非常緩慢,以至于它們無法重新排列成一個(gè)有序的晶體結(jié)構(gòu)。這種液體就被稱為玻璃態(tài)液體,它的分子仍然是無序的,但是它的形狀是固定的,就像一個(gè)固體一樣。
玻璃態(tài)液體的一個(gè)重要特征是它的粘度(或者說阻力)會(huì)隨著溫度的降低而急劇增加,這意味著它的流動(dòng)性會(huì)變得非常差。這種現(xiàn)象被稱為玻璃轉(zhuǎn)變,它是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,涉及到許多不同的物理機(jī)制。 玻璃態(tài)液體的一個(gè)奇妙的性質(zhì)是它的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性,即它的分子運(yùn)動(dòng)并不是均勻的,而是存在著一些局部的快速和慢速的區(qū)域。這些區(qū)域的大小和形狀會(huì)隨著時(shí)間和溫度而變化,它們反映了玻璃態(tài)液體的能量景觀的復(fù)雜性。 能量景觀是一個(gè)描述分子在不同位置和狀態(tài)下的能量的函數(shù),它通常是一個(gè)非常崎嶇的表面,有許多的局部最小值和鞍點(diǎn)。分子要從一個(gè)局部最小值跳到另一個(gè)局部最小值,就需要克服一個(gè)能量勢(shì)壘,這個(gè)勢(shì)壘的大小決定了分子的松弛時(shí)間,也就是分子達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間。 在玻璃態(tài)液體中,這些勢(shì)壘的分布是非常廣泛的,有些分子只需要很小的勢(shì)壘,有些分子則需要很大的勢(shì)壘。因此,玻璃態(tài)液體的分子運(yùn)動(dòng)是非常不均勻的,有些分子可以很快地松弛,有些分子則需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能松弛。 玻璃態(tài)液體的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性是一個(gè)非常重要的主題,它可以幫助我們理解玻璃轉(zhuǎn)變的本質(zhì),以及玻璃態(tài)液體的許多其他的性質(zhì),比如熱膨脹、熱容、介電常數(shù)等等。然而,玻璃態(tài)液體的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性是一個(gè)非常難以描述和預(yù)測(cè)的現(xiàn)象,因?yàn)樗婕暗皆S多不同的尺度和時(shí)間,以及許多不同的物理效應(yīng)。為了研究玻璃態(tài)液體的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性,我們需要一些合適的理論模型和數(shù)值模擬,以及一些合適的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)。 在最近新發(fā)表的一篇論文中,作者提出了一個(gè)理論模型,來解釋玻璃態(tài)液體的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性的規(guī)律。他們的模型基于一個(gè)假設(shè),就是玻璃態(tài)液體的松弛是由一些局部的重排事件引起的,這些重排事件之間是通過彈性力耦合的。 這意味著,當(dāng)一個(gè)分子跳過一個(gè)勢(shì)壘時(shí),它會(huì)對(duì)周圍的分子產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力,這個(gè)應(yīng)力會(huì)影響周圍分子的勢(shì)壘,從而影響它們的松弛概率。這樣,一個(gè)重排事件就可能引發(fā)一系列的后續(xù)的重排事件,形成一個(gè)連續(xù)的松弛區(qū)域,這個(gè)區(qū)域就被稱為一個(gè)松弛雪崩。松弛雪崩的大小和形狀取決于溫度、應(yīng)力和勢(shì)壘的分布,它們反映了玻璃態(tài)液體的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性的特征。 他們的模型可以用一個(gè)數(shù)學(xué)公式來描述,這個(gè)公式是一個(gè)標(biāo)度律,它可以用幾個(gè)參數(shù)來刻畫玻璃態(tài)液體的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性的規(guī)律。這些參數(shù)包括動(dòng)力學(xué)相關(guān)長(zhǎng)度ξ,它表示松弛雪崩的平均尺寸;動(dòng)力學(xué)相關(guān)體積χ4,它表示松弛雪崩的平均數(shù)量;以及零溫度時(shí)的勢(shì)壘分布函數(shù)P(E),它表示不同勢(shì)壘的概率。 模型的核心思想是,玻璃態(tài)液體的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性是由一個(gè)零溫度的臨界點(diǎn)控制的,這個(gè)臨界點(diǎn)是一個(gè)理想的玻璃態(tài),它的分子完全無法松弛。他們的模型可以把這個(gè)臨界點(diǎn)的性質(zhì)和玻璃態(tài)液體的動(dòng)力學(xué)異質(zhì)性的性質(zhì)聯(lián)系起來,從而給出一個(gè)一致的理論框架。 |
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