在无序中寻找秩序：非晶固体特性及其结构起因的研究

发布时间：2021-07-04 19:32

　　诸如玻璃、沙堆等无序材料充斥着我们的日常生活,但是它们非同寻常的特性尚未被很好地理解,是困扰凝聚态物理领域的重要难题。关于晶体的研究构成了固体物理这门成熟学科的主要内容,同时,相关的技术发展已经并且正在改变我们的生活形态。相对地,关于非晶固体,我们距离一个完美而自洽的基础理论依旧遥远。人们面对的最大的困难之一在于表征、并进一步调控复杂的结构无序,这阻碍了对引入无序过程中晶体和非晶如何相互转化的细致研究。不能在可控的“无序度”下研究材料特性,就不可能澄清无序体系特性背后结构无序所扮演的角色。我们的研究集中在寻找复杂结构背后的秩序,并由此理解非晶固体特性与结构的关联。在第一章的背景介绍中,我们首先简要回顾了软物质领域的发展,介绍了软物质的突出特点以及非晶材料研究的现状。接着我们介绍了玻璃化转变的基本动力学、热力学特征以及一系列重要的理论模型。从Jamming相图出发,我们介绍了Jamming转变的基本物理图像。在短程纯排斥小球构成的理想模型中,我们进一步论述了Jamming转变的临界性以及点J附近固体的振动特性。最后,我们对有限温度下的Jamming转变以及它与玻璃化转变的关系做了简要讨论... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：111 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１等压条件下液体体积或者焰对溫度的依赖关系

过冷液体在降温过程中粘度和弛豫时间发生如此巨大的变化，对此引出玻??璃化转变领域的一个重要问题：动力学变慢背后的机制是什么？其结构是否发??生了重要改变？答案是否定的。图１３所示是双分散Ｌｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓ体系中Ａ粒??子在很宽的温度范围内静态结构脚子的变化。从图中我们看到，虽然系统的弛豫??时间变化了好几个豐级，静态结构因子却只有微弱的变化。同样的，从图１．１我??们可从看到，相对结晶过程中的跳变，体积或者烙在玻璃化转变过程中都只有??缓慢的变化。热力学和结构特性在玻璃化转变中的缓慢变化与传统－－级和二级??相变形成对比，构成了发展理论的重要难题。??过冷液体粘度或者弛豫时间对温度依赖的Ｓｕｐｅｒ－Ａｒｒｈｅｎｕｉｓ行为是理论研巧??的重耍谏题。依赖于不同的理论预设，有多种拟合公式可Ｗ对实验或者模拟得??．?到的数据进行拟会。Ｖｏｇｅｌ－Ｆｕｌｃｈｅｒ－Ｔａｍｍ９ｉｍ（ＶＦＴ）公式是最常用的拟合拟

Ｔ：二?Ｔ〇ｅＡ／（Ｔ－Ｔ。），?（１．１）??送里Ｔｏ表示弛豫时间发散的温度，也叫做Ｖｏｇｅｌ温度。如图１．４所示，它可Ｗ很??好地拟合弛豫时间在降温过程中的行为。ＶＦＴ公式假定在一个非零的温度Ｔｏ处??存在奇点，体系弛豫时间发散。这正是随机一级相变理论（Ｒａｎｄｏｍ?Ｆｉｒｓｔ－Ｏｒｄｅｒ??Ｔｒａｎｓ扣ｏｎ?Ｔｈｅｏｒｙ：?ＲＦＯＴ）所预测的理想玻璃化相变发生的温度［６，?１１，１５，?１６］。??后面我们会简要介绍该理论的基本图像。抛物线拟合是另一常用的拟合公式??［１７］??了?＝?Ｔ〇ｅ（Ｉ／Ｔ〇）２（Ｔ〇／Ｔ－１）２．?（１＾??如图１．４所示，它也可Ｗ得到很好的拟合。但是拋物线形式的拟合弛豫时间只有??在Ｔ＝０处才发散，也就是说在任何有限温度下，体系不存在发生相变的奇点。??这正是动力学生长理论（Ｄｙｎａｍｉｃ?Ｆａｃｉｌｉｔａｔｉｏｎ：?ＤＦ）的基本假定［１８］。送两个拟??合公式具有完全不同的理论基础，但是却能对大多数过冷液体弛豫时间的温度??依赖给处同样合理的拟合。这正是当下理论研巧的困境所在：在降温过程中体??系的动力学被如此强烈地抑制，为了研究平衡态的性质，所需要等待的模拟或??者实验时间将超出可Ｗ承受的范围。因此，我们尚不能得到足够逼近玻璃化转??变（如果存在的话）的数据


本文编号：3265399