玻璃质液体的结构与动力学

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玻璃与玻璃态的应用极其广泛。玻璃化转变是一种典型的非晶液-固转变,当转变发生时体系的二体关联结构没有明显变化,但其动力学显著变慢,因而我们无法将其归类于已有的任何一种相变类型。作为凝聚态物理和高分子物理的核心问题之一,玻璃化转变的研究已有近70年的历史。然而,时至今日,人们对玻璃质流体中结构与动力学是否存在关联这一问题仍存在诸多争议,同时也无法回答玻璃态的本质到底是什么。基于此,本论文采用分子动力学模拟方法,针对玻璃化转变中的若干结构和动力学性质开展了系列研究,并提出了一个研究玻璃体系结构与动力学关联的新思路。具体如下:  玻璃质液体中松弛与扩散的关系:小分子流体的动力学性质通常符合Stokes-Einstein(SE)关系。然而,对于玻璃质液体而言,在接近玻璃化转变点时其松弛和扩散性质却发生SE关系的偏离。为了明晰SE偏离的物理机制,我们在较大过冷度范围内研究了玻璃质流体中松弛与扩散的关系,发现SE关系的偏离在较高温度下总是伴随体系脆性的改变,而低温下却与体系的多松弛模式有关。通过进一步研究玻璃体系的动力学异质性,发现松弛和扩散对过冷度的响应不同,这可能是造成玻璃体系偏离SE关系的内在本质。另外,体系的“串”状协同运动强度在模耦合理论(MCT)转变点附近达到饱和,这说明体系在更深的过冷度下可能蕴含更丰富的动力学行为。  玻璃质液体的点对集关联长度:为了深入理解玻璃质液体中结构与动力学之间的关联,我们基于无规一级相变理论,研究了不同形状的几何边界条件下三维Lennard-Jones玻璃质液体的点对集关联长度,探索了玻璃体系中结构与动力学的关联。结果表明,点对集静态关联长度和时间尺度的关系不仅和体系的过冷度有关,还和无定形边界的几何形状有关。在深过冷区,静态关联长度随温度的降低缓慢增加,而动态关联长度迅速增加,这意味着静态和动态关联长度之间并没有一一对应关系,同时,静态关联长度与时间尺度也没有明显的直接对应关系。这为理解玻璃化转变过程中的结构与动力学关联提供了新的认识。  玻璃质液体的空间密度关联与动力学变慢:为了寻找玻璃质液体中结构与动力学之间的关系,我们基于局域密度的空间关联,提出了一种全新的研究体系结构的方法,发现局域堆积较密的粒子在空间上倾向于集结为簇,并且簇的尺寸随着温度的降低而显著增加,表明与动力学性质存在明显关联。同时,密粒子的簇尺寸能够在较大密度范围内表征势函数有吸引和无吸引玻璃体系结构上的差异,而这种差异利用传统的对关联函数并不能有效区分。通过对四种不同的玻璃体系开展同构型系综的模拟,发现在不同势函数的玻璃体系中,密粒子对动力学性质的响应不同。硬排斥体系中,密粒子环境对应慢动力学;而在软排斥体系中,密粒子环境却对应快动力学。通过进一步分析重叠参量和粒子运动轨迹,发现软排斥体系中的密粒子在笼蔽模式末期出现了更为明显的跳跃(hopping)运动,这可能是导致软硬粒子呈现不同结构与动力学关联性质的物理根源。
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