它也在分子“促进”实验中被捕获！ - 揭开准空洞驱动的玻璃形成物质的神秘面纱 -

新闻与主题

类别：新闻稿 |发表于 2020 年 12 月 18 日

演示要点

〇〇我们对玻璃形成物质编织的缓慢弛豫的神秘物理性质进行了日本和中国（香港）的国际联合研究，发现了重要的分子微观基本过程。
〇〇胶体实验（香港/深圳研究小组）比传统胶体实验更长、更精确几个数量级，结果表明，在高密度下，由准空洞驱动的“弦状跳跃链”的协作运动占主导地位。
〇〇这些新发现通过高速分子动力学模拟得到了验证（V体育副教授矶部正治）。所获得的发现预计将对缓慢松弛基本过程的微观机制的统一理解产生重大影响。

摘要

　人们不断地研究玻璃形成物质所产生的神秘物理特性。然而，仍然没有明确的概念或理论，几十年来它一直困扰着科学家，作为凝聚态物质和统计物理学的重大挑战。一般来说，当液体快速冷却（压缩）时，其分子排列变得无序，其运动冻结，从而形成玻璃态。粘度的增加会导致非常“缓慢的松弛”。尽管大多数分子被冻结并且不移动，但众所周知，很少引起大位移的“活性分子”在空间上不均匀地发生并且一致地移动（注1）。这些“活性分子”的协同运动大致可分为两种类型：分布在核心状域区域的协调运动和弦状跳跃链运动（注2），并已通过实验和模拟观察到。在后一种跳跃链运动中，初始跳跃需要分子直径数量级的空隙。然而，在非常高的密度下，这样的间隙根本找不到，这就产生了一个悖论。
　此次，香港理工大学、哈尔滨工业大学（深圳校区）、香港科技大学的研究人员与V体育矶部正治副教授进行了一项日本和中国（香港）的国际联合研究。在使用胶体溶液的实验中，实验技术的改进使得能够在长时间内精确跟踪单个分子的运动。结果，（A）分布在彼此相距几个粒子的区域中的碎片小空隙“准空隙”（注3）促进了合作，并产生了大空隙。很明显，空隙像粒子一样传输并驱动弦状跳跃链运动。此外，还发现，（B）先前研究中观察到的“活性分子”的核心结构域区域的协调运动，当时间分辨率提高时可以分解为跳跃链运动，（C）跳跃链以高概率反转并引起串重复运动。这些新事实可能为玻璃形成材料的结构弛豫提供基本见解，并为彻底阐明微观机制打开大门。该研究结果发表在2020年12月17日（美国东部时间）美国物理学会《物理评论快报》电子简报版上。网页版：

研究背景

　近年来，激活组织活动、促进协作的“促进”概念在商业和教育领域受到关注。有人提出了一种理论，即即使在分子高密度聚集的玻璃形成材料中也会发生“促进”，它引起了全世界的关注。 “动态促进理论”是通过关注“动力学”而构建的，其中“活性分子”（大位移的跳跃运动）是基本过程，并促进它们在空间和时间上的合作，可以与其他有影响力的理论一样解释过冷液体和玻璃化转变附近发生的现象。为此，这成为了一大争议，通过模拟和实验的验证正在积极进行。 2016年，我校矶部正治副教授与“动态促进理论”的提出者，利用二维硬球系统进行高速分子动力学模拟，进行了日本、美国、英国的联合研究，并发表了验证结果（2016 新闻稿“捕捉分子世界中的“促进”！- 使用世界上最快的算法探索玻璃材料的奥秘 -」、）。
关于胶体实验，大约5年前，另一个小组之前的研究中有一份报告，支持了另一个有影响力的理论，即“活性分子”在高密度下形成核心状域区域，并且该区域随着密度的增加而增大。在这种混乱的情况下，四年前，一个以香港为中心的团体联系了我们，在日中（香港）国际联合研究框架下，我们开始全面努力，通过胶体实验和分子模拟来解决这个难题。

研究内容/结果

实验技术的最新创新使得直接测量胶体溶液中分子的运动成为可能。因此，我们能够在比传统实验长几个数量级的受控环境中进行精确的实验，并分析高密度系统中的缓慢弛豫状态。结果，与之前的研究完全不同，我们发现，当我们接近高密度玻璃化转变时，“活性分子”的跳跃链运动成为弛豫的唯一基本过程。此外，对跳跃链运动的详细分析表明，（i）分散在数倍分子直径区域的准空隙通过多个分子的协同运动产生空隙，引发初始跳跃，并由空隙的传输驱动链（图1、2）； (ii)新的发现是，随着密度的增加，类核域面积的增加是长期粗粒度化的结果，并且可以通过增加时间分辨率将其分解为跳跃链运动(图3)，以及(iii)跳跃链运动以高概率反转并导致串重复(图4)。这些发现通过快速分子模拟进行了仔细的交叉检查，并使用两种不同的方法证实了该现象的再现性。通过这种方式，对玻璃形成物质“缓慢弛豫”微观机制的彻底阐明正在迅速取得进展。

未来发展

　从液态到玻璃态的转变是一种常见的现象，阐明最简单系统中分子水平机制的基本原理预计不仅在凝聚态物理和地球科学中具有学术意义，而且还将扩展到各种应用领域，例如工业中玻璃形成纳米材料的生产和社会现象。此外，针对高密度分子系统的“高速算法技术”的建立，将在材料设计等应用中产生较大的连锁反应，“便利化”分子遵循自然规律，可能为解决人类社会的各种问题开辟前景。这是一个物理现象中的难题，利用多种实验和模拟方法互补交叉检验，并通过国际联合研究体系合作（不受远程协作带来的地域或时间限制）取得巨大成果的案例。从研究生教育的角度来看，这个案例具有重要意义，可以作为未来大学在网络环境下进行研究的一种方式。

　这项研究得到了科学研究资助金（C）“利用非热扩展动态促进理论统一阐明致密分子系统中的非平衡相变”（问题编号：17K05574）这项工作得到了基础研究（C）“动态促进过程中结构玻璃系统中缓慢弛豫和非平衡相变的微观起源”（项目编号：17K05574）的支持。 20K03785；研究代表：矶部正治）。

术语表

（注1）玻璃系统的缓慢松弛：当具有无序结构的分子被快速冷却（或压缩）到其熔点以下时，它变成过冷（压缩）液体，结构弛豫从阿累尼乌斯型（液体中正常指数弛豫等）转变为非阿累尼乌斯型缓慢异常弛豫（拉长指数型等）。自 20 世纪 90 年代以来，分子不移动区域和分子活跃区域（动态异质性）混合存在的现象已得到广泛认可，并作为表征结构玻璃系统分子级动力学的重要性质而得到积极研究。

（注2）跳跃链运动：在玻璃模型系统中，众所周知，在高密度下，多个分子在链中跳跃的距离约为玻璃直径。这是 30 多年前的事了

（注3）准空：在高密度下，分子堆积在一起，间隙变得更小。小于分子大小的碎片间隙称为准空隙，与允许跳跃的分子大小的空隙不同。

论文信息

论文标题：胶体玻璃形成体中空洞引起的结构松弛的直接证据
作者姓名：Cho-Tung Yip、Masaharu Isobe、Chor-Hoi Chan、Simiao Ren、Kin-Ping Wong、Qingxiao Huo、Chun-Sing Lee、Yuen-Hong Tsang、Yilong Han 和 Chi-Hang Lam
出版期刊名称：Physical Review Letters
发布日期：2020 年 12 月 17 日
土井：101103/PhysRevLett125258001
网址：

参考图

图 1：

图1-1jpg

　弦状跳跃链运动分析（胶体实验光学图像）：（左）跳跃链运动前的分子排列和运动（以白色和浅蓝色显示）。蓝色箭头表示分子的位移。关注黄色虚线，有四个分子（白色）和一个碎片状的准空洞（深蓝色）（加起来就是一个空洞），链结后变成五个分子（浅蓝色）。（右）跳跃链后的放置和移动（以白色和红色显示）。关注黄色虚线，链前的四个分子（红色）变成了三个分子和一个碎片化的准空洞（加起来时一个空洞）。换句话说，跳跃链前后多个分子之间间隙中的准空隙由于协同运动而成为空隙，驱动初始跳跃，空隙被输送（链运动），并作为准空隙分散并停止移动。

图 2：

图2-1jpg