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重要突破！中國(guó)科大發(fā)現(xiàn)新型有序物態(tài)——理想非晶體 精選

2026-02-18 22:02:48來(lái)源：安徽網(wǎng)  

大皖新聞?dòng)?2月18日，大皖新聞?dòng)浾邚闹袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校童華教授、徐寧教授及其合作者在非晶物態(tài)理論研究中取得重要突破。研究實(shí)現(xiàn)了兼具非晶結(jié)構(gòu)與晶體般完美結(jié)構(gòu)效率和穩(wěn)定性的全新有序物態(tài)——理想非晶體，并發(fā)展類(lèi)似路徑積分的關(guān)聯(lián)表征方法，揭示了其非常規(guī)的長(zhǎng)程空間關(guān)聯(lián)，這項(xiàng)工作具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景。


(相關(guān)資料圖)

“空間位阻”造就的有序奧秘

相關(guān)人員表示，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，“有序”與“無(wú)序”是貫穿始終的核心命題。在傳統(tǒng)認(rèn)知中，有序往往意味著對(duì)稱破缺。最典型的例子就是晶體，其原子的周期性排布打破了空間平移和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性；對(duì)立面則是排列混亂、隨機(jī)的玻璃態(tài)物質(zhì)。沿著從晶體到準(zhǔn)晶的探索方向，是否存在一種不打破平移或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性、卻高度有序的全新物態(tài)？沿著相反的方向探索玻璃和玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程中可能隱藏的結(jié)構(gòu)序，同樣會(huì)觸達(dá)這一基本問(wèn)題。

左圖為二維理想非晶體的位型圖；中圖為理想非晶中隱藏的相干路徑；右圖展示了基于相干路徑定義的類(lèi)似路徑積分的空間關(guān)聯(lián)表征方法

“雖然大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)告訴我們，‘有序’意味著原子像地板上的瓷磚一樣排列，即通過(guò)打破平移和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性形成的重復(fù)圖案，熱力學(xué)基本原理卻隱含著其他可能。”相關(guān)人員稱，理想非晶體正是這一隱藏可能性的體現(xiàn)，其通過(guò)最優(yōu)空間位阻堆積實(shí)現(xiàn)有序——這是一種每個(gè)粒子都以可能的最高效率排列以減少“浪費(fèi)”空間的最優(yōu)狀態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)首先定義了一個(gè)不依賴于特定對(duì)稱性的位阻有序參數(shù)，并在前期工作中證明了其熱力學(xué)意義。以此為指引，研究團(tuán)隊(duì)在二維多分散粒子體系中結(jié)合熱力學(xué)演化和優(yōu)化算法方法，成功制備出滿足吉布斯純相定義的理想非晶體。由于缺少已知的對(duì)稱性破缺，傳統(tǒng)方法無(wú)法揭示理想非晶態(tài)的有序性。針對(duì)該問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)突破對(duì)稱性框架創(chuàng)新性提出相干路徑的概念，在此視角下，晶體序恰好是這種更一般的結(jié)構(gòu)序的一個(gè)特例。

表現(xiàn)出“超穩(wěn)定性”

記者了解到，研究對(duì)理想非晶體的物性進(jìn)行了基本表征。結(jié)果表明，其盡管看起來(lái)像隨機(jī)排列的液體，但物理性能如同晶體，具有一系列此前被認(rèn)為非晶結(jié)構(gòu)不可能具備的“類(lèi)晶體”特性。

熱力學(xué)穩(wěn)定性：理想非晶體的熔化過(guò)程呈現(xiàn)勢(shì)能突變的類(lèi)一級(jí)相變特征，表現(xiàn)出“超穩(wěn)定性”；聲子振動(dòng)譜：理想非晶體的低頻振動(dòng)幾乎是完美的德拜型聲子模式，無(wú)非晶體系典型的低頻準(zhǔn)局域模式和玻色峰；機(jī)械強(qiáng)度：其彈性響應(yīng)是完全仿射的，使其機(jī)械行為像傳統(tǒng)金屬一樣可預(yù)測(cè)；高度均勻性：它們表現(xiàn)出超均勻性，這是一種能抑制大尺度密度波動(dòng)的特殊狀態(tài)，保證其極為出色的材料一致性。

研究成果在線發(fā)表于《自然·材料》

記者獲悉，這項(xiàng)工作兼具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景。在基礎(chǔ)研究層面，理想非晶體拓展了物質(zhì)有序態(tài)的范疇，通過(guò)彌合混沌與幾何之間的鴻溝，這種新物態(tài)證明了有序并不總是需要對(duì)稱破缺——有時(shí)，它只需要追求效率的完美；在應(yīng)用層面，其為設(shè)計(jì)既像玻璃一樣各向同性、又在物理性質(zhì)上趨于完美的新型非晶材料提供了全新思路。

該研究受到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，相關(guān)研究成果已在線發(fā)表在《自然·材料》雜志上。

大皖新聞?dòng)浾?魏鑫鑫

編輯 王翠

標(biāo)簽： 觀察家網(wǎng) 最新資訊

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