玻璃熔体黏温特性强弱转变的结构起源和机理探索

Fragile-to-strong transition phenomenon, which appears during the cooling of glass-forming liquids, has consistently been one of the hot points under investigation in the field of condensed matter physics. Considering our recent discovery about the FST phenomenon in C3A glass among the CaO- Al2O3 glass system, this project will focus on the aluminum-bearing glassy system to conduct the research on fragile-to-strong transition phenomenon. Relying on the advantages of the novel contactless aerodynamic laser heated levitation setup, which can realize the in-situ observation and characterization of deep super-cooled liquids (for example, deep super-cooled liquid state down to 500K below its melting point for the extremely poor glass former Al2O3 can be realized), combined with the structural characterization of series of glass samples with different fictive temperatures, we will elucidate the structural evolution during Fragile-to-strong transition. In addition, using the feature of aluminum-bearing glasses with wide compositional glass-forming scope, combined with the structural and compositional dependence of series of glasses and Temperature-dependent constraint theory, we will investigate the temperature and composition dependence of viscosity and other thermo-physical attributes and elucidate the mechanism of fragile-to-strong transition.

目前，揭示玻璃熔体冷却过程中强弱转变现象的结构起源和机理，被认为是破解“玻璃本质和玻璃形成”这一凝聚态物理科学领域重要问题的关键，持续地成为国内外的研究热点。项目组最近发现：拥有宽广玻璃形成区的CaO-Al2O3熔体具有强弱转变特征。结合课题组该方向的初步研究结果，本项目拟以铝酸盐玻璃熔体为研究对象，利用气动悬浮无坩埚激光加热装置在深过冷液体粘度等物性评测和原位结构表征方面的优势（如：因冷却技术限制目前无法淬冷玻璃化的氧化铝可实现熔点以下500K过冷度），结合不同假想温度玻璃的制备工艺探索及结构和物性表征，弄清玻璃熔体强弱转变过程的结构演化特征；在此基础上，利用铝酸盐熔体宽范围玻璃形成区优势，探索化学组成和温度变化引起的熔体和玻璃结构、热物性参数的演化规律，并基于“温度依赖拓扑限制”等理论方法，定量计算和预测玻璃粘温动力学特性的组成和结构依赖，进而阐明强弱转变机理。

固态相变现象广为人知，理论已相当成熟。时至今日，与拥有时空平均非周期液态结构的直觉相反，越来越多的迹象显示液液相变的存在。随着过冷度的增加，亚稳过冷态液体黏度将迅速增大，越过玻璃转变温区时，温度仅下降几十度，粘度却上升几个数量级。该过程中，源自自组织过程中密度和熵的竞争，在不同温度和压力条件下，多非晶相相变的发生是很可能的。目前，揭示玻璃熔体冷却过程中强弱转变现象的结构起源和机理，被认为是破解“玻璃本质和玻璃形成”这一凝聚态物理科学领域重要问题的关键，持续地成为国内外的研究热点。针对“较差的玻璃形成体由于受容器壁和液体接触处易发生异相成核而迅速析晶等方面的限制，传统测试方法无法研究过冷液体结构和性能”这一问题，采用实验室搭建的气动悬浮激光加热装置实现铝酸盐熔体深过冷的基础上，本项目详细表征了铝酸盐熔体密度、表面张力等热力学参数和粘度等动力学参数随组分变化的演化规律；结合其他传统低温黏度等性能评测方法，系统研究了铝酸盐玻璃低温黏度随温度变化的规律和组分变化对玻璃低温黏温特性的影响；根据高温段黏温关系获取的强弱性（m值）和低温段黏温关系获取的m值的差异，发现强弱转变现象是铝酸盐熔体中普遍存在的现象；详细的结构表征结合计算机模拟，阐明了铝酸盐熔体粘温特性强弱转变过程的结构演化特征和微观机理。