胶体玻璃中低频软模的结构根源与演化

Upon rapid cooling, most liquids can avoid crystallization and form amorphous solids or glasses. Glasses are widely used materials throughout human history. Recent development of many novel glass materials such as metallic glasses has greatly expanded the possible applications of this family of materials. On the other hand, as intrinsically non-equilibrium systems, there are still many fundamental questions for the physics of glasses that remain unanswered; and a comprehensive theoretical framework for disordered solids are lacking. One distinctive feature of glassy materials is the existence of large number of quasi-localized modes in the low frequency regime of the phonon spectrum. These vibrational modes are commonly known as "soft modes", whose structural origin is still a matter of debate. The deformation mechanism of glasses is qualitatively different from that of crystalline materials, and the understanding of it is quite limited. Recently studies have shown that the soft modes are strongly correlated with localized deformation zones in glasses. In this proposal, we plan to use colloidal glasses as a model system to investigate the structural origin of soft modes and their evolution with further glass deformation, employing modern video microscopy, micro-fabrication and phonon analysis technique based on displacement covariance matrix. Our results will provide critical experimental support for constructing a general deformation model for amorphous solids, and will provide guidance for designing and improving mechanical properties of glassy materials.

液体在骤冷时可能避免结晶而形成原子无序排布的非晶固体--玻璃。一方面,非晶是一大类应用广泛的材料；特别是近年来金属玻璃的发展，大大地扩展了非晶材料的应用前景。另一方面，作为一种无序的非平衡态系统，非晶中的很多基本物理问题还没有解决,全面描述非晶体系的凝聚态理论框架尚未建立，这在很大程度上制约了非晶材料的开发。非晶在低频段普遍存在大量的准局域的振动模式,即所谓的"软模",这种振动模式的结构起源并不清楚。同时，传统的晶态理论也不能用于描述非晶的形变机制。最近的研究表明，软模与非晶固体中的局域塑性形变有密切的关系。本项目计划利用胶体玻璃为模型体系，通过现代光学显微技术，微加工技术以及基于位移相关矩阵的胶体振动模式分析技术，深入研究胶体玻璃中软模的结构根源以及软模在非晶从局域到非局域形变过程中的演化。研究结果将为建立广泛的非晶形变模型提供实验支持,并且为设计和提高非晶材料的力学性能提供科学依据。

非晶固体材料，也就是玻璃，是一大类应用广泛的重要材料，在建筑、能源、通信和国防方面都有重要的应用。玻璃中存在很多独特的热力学和动力学现象其物理机制到目前都没有得到充分的认识。例如，实验和理论研究都发现在玻璃中普遍存在着大量的低频准局域的振动模式；这些“过剩”的振动模式通常称为“软模”。软模对玻璃的热力学性质有重要的影响，包括低温热容、热导率以及力学性质等等。目前，学术界对于玻璃中软模产生的物理根源还不清楚。本项目的研究目标是通过胶体玻璃实验探索玻璃中软模的结构根源以及在形变过程中的演化规律。..其中开展了以下四个方面的研究，包括I）研究了通过掺杂胶体晶体中声子态密度和玻色峰的变化规律；II）研究了准二维胶体玻璃中的局域形变区域的结构特征；III）研究了非球形胶体玻璃中的声子模式；和IV）胶体玻璃中动力学与结构的关联。 ..研究取得的主要成果有，1. 发现了胶体玻璃中软模与结构无序度之间的关联，玻色峰随着结构无序度的增加而增加，软模在空间上集中在局域结构无序的区域。 2. 发现了能够预测胶体玻璃中局域形变的结构参数，局域结构熵S_2，首次提出了完全基于结构测量定义的玻璃中的“结构缺陷”的概念。3. 在风筝形胶体玻璃中发现软模不存在于平动模式中，而只存在于转动振动模式中，而在并从结构简并度的角度进行了解释。4. 发现多个可能的玻璃结构序参量，其中取向序对于玻璃化转变过程中的动力学的显著影响。