胶体玻璃化转变过程中的结构序

When a liquid is rapidly cooled, it may avoid crystallization and form non-crystalline solid or glass through a process known as glass transition. Glass transition is the predominant method to obtain glassy materials, and has profound effects on their properties. As a non-equilibrium process, the fundamental nature of glass transition is a long-standing problem in statistical physics and condensed matter physics. At the core of the problem is the structure-dynamics correlation during the glass transition. Recent studies suggest that certain kind of non-periodic structural order may be responsible for the drastic slow down of dynamics during the glass transition. However, no universal structural features have been identified in previous searches for the “amorphous order” in glassy systems. In this proposal, we plan to employ temperature sensitive colloidal systems and video microscopy to experimentally search for structural orders during glass transition. Our study will focus on the intrinsic correlations and symmetries in amorphous structures in search for universal structural orders that correlate to the dynamics, thermodynamics and mechanical properties of glasses. The planned studies will establish new method to quantitatively describe the structures of amorphous systems, including the structures of liquid and solid glass, thus provide the structural basis for a general theoretical framework for amorphous materials.

当液体骤冷时可能避免结晶而形成非晶态的固体，也就是玻璃，这一过程称为玻璃化转变。作为获得玻璃材料的主要方法，玻璃化转变过程对非晶材料的性能有重要的影响。同时作为一个非平衡态的物理过程，玻璃化转变也是统计物理和凝聚态物理中尚未完全解决的难题。其中核心的问题是玻璃化转变过程中结构与动力学的关联。目前，学术界普遍认为玻璃化转变过程中可能形成的非周期性的非晶结构序导致了动力学急剧变慢。然而，至今仍未发现具有普适性的非晶结构序特征。本项目计划从非晶中结构相关性与对称性的角度出发，利用显微视频技术在温敏性的胶体非晶体系中寻找胶体玻璃化转变过程中具有普适性的结构序参量，揭示非晶结构形成的内在规律，建立非晶结构序参量与非晶动力学、热力学和力学性质之间的关联。研究结果有望建立对非晶结构，包括液体和玻璃结构的新的描述方法，为建立广泛的非晶理论模型提供结构基础。

当液体骤冷时可能避免结晶而形成非晶态的固体，也就是玻璃，非晶物理的核心的问题是玻璃化转变过程中结构与动力学的关联。目前，学术界普遍认为玻璃化转变过程中可能形成的非周期性的非晶结构序，然而，至今仍未发现具有普适性的非晶结构序特征。本项目的目标是从非晶中结构相关性与对称性的角度出发，在胶体非晶体系中寻找胶体玻璃化转变过程中具有普适性的结构序参量，建立非晶结构序参量与非晶动力学、热力学和力学性质之间的关联..其中开展了以下四个方面的研究，包括I）胶体玻璃中局域涨落作为结构序参量描述玻璃化转变；II）压力诱导的晶体-玻璃转变；III）胶体粒子在复杂背景中的扩散动力学并测量了玻璃化转变过程中的结构关联长度；和IV）胶体过冷液体和玻璃中局域角向序与动力学的关联。 ..研究取得的主要成果有，1. 将粒子的局域受限作为一个结构序参量，定量的描述了玻璃化转变过程中系统结构的演化，提出了普适的液-固转变指标，精确的确定了玻璃化转变点。2. 探索了制备玻璃的不同路径，研究了玻璃相的产生和演化的过程，为玻璃结构的研究提供了新的思路，探讨了在极端高压下材料结构的演化规律。3.发现的扩散普适标度率能够定量的预测胶体粒子在不同环境中的扩散动力学。将这一规律应用到非晶系统中，解决了非晶中结构团簇测量的难题。4. 发现了长期被忽略的非晶角向序对非晶动力学的重要作用，明确指出了非晶中角向不但是有结构序的，而且角向序是非晶结构序的最主要的组成部分。