玻璃前驱体松弛行为研究

We propose to study the relaxation behavior of small molecular, polymer, as well as sphere and ellipsoid colloidal glass-forming systems, by a combination of theory and computer simulation. We focus on establishing a general theory for the relaxation dynamics of strong and fragile glass-forming systems on the molecular level based on the first-principles, which provides theoretical guidance for revealing the correlation between the relaxation time of glass-forming systems and their physical and chemical structures. Furthermore, we elucidate the relationship of the motion between single particle and cluster, the relationship between the motion of parts and bulk properties, as well as the effect of external field on the relaxation behavior of glass-forming systems. Finally, based on the molecular pictures provided by computer simulation and results from our theoretical derivation, we hope to develop a new theoretical basis that helps us to understand the Kauzmann paradox and mechanisms of glass transition. The outcome will place China in a leading position to prepare and control materials, enabling processing of materials in a more efficient ways.

本项目将针对小分子、高分子和圆球与椭球胶体玻璃前驱体的松弛行为进行一系列的计算机模拟与理论研究；从分子水平上建立基于第一性原理的描述强性、脆性玻璃前驱体松弛行为的普适性理论；揭示玻璃前驱体松弛时间与物质物理化学结构之间的关联；明晰单粒子和团簇运动之间，局部运动与整体性质之间的关系，以及外场对这些运动行为的影响；为进一步理解或重新理解Kauzmann佯谬和玻璃化转变提供理论依据,为材料的高效制备和结构调控奠定相应的理论基础。

玻璃前躯体与玻璃是复杂的多体相互作用体系，其基本特征是微观结构上短程有序、长程无序，能量上处于亚稳态，具有多重松弛行为，且微观结构及其对应的宏观性能随时间演化。玻璃前躯体与玻璃以及二者之间的转变是凝聚态物理和物理化学中最重要且最富有挑战性的问题之一。这些问题的解决将为材料科学、生物医药等领域的基础研究和应用研究提供理论基础和支撑。在本项目中，我们采用分子动力学模拟以及我们发展的系列分析方法，我们系统探索了玻璃前躯体在玻璃化转变过程中的异质性、协同性与动态关联性,以及各向异性胶体体系的相变、玻璃化转变和扩散行为。主要结论如下：(1)基于我们重新划分的长程、中程和短程粒子集概念，首次阐释了玻璃前躯体中的两步松弛行为和SE关系破缺的机理。（2）在玻璃前驱体中，粒子间协同运动不仅包含链式协同运动，还存在密集型团簇的协同运动。(3) 证明了PTS（Point-to-Set）动态关联长度 随温度的演变确实存在一阶转变，从而为准二维受限的玻璃前躯体动力学减速机制和动力学转变理论的创建以及随机一阶转变理论的完善奠定了分子基础。（4）发现二分散椭圆粒子体系的松弛动力学与圆球体系的松弛动力学非常相似，但是椭圆粒子平动与转动玻璃化转变的密度不同，它们取决于二分散体系的组成及大小粒子的尺寸比。另外，我们基于二分散椭圆体系的结构性质，阐明了共混效应和平动与转动解耦合效应的分子机理。本项目属于高分子物理学中最具有挑战性的前沿科学难题之一。在项目执行期间，完成了研究项目的任务.已发表研究论文8篇，在国际和国内学术会议做邀请报告4次。