玻璃转变动力学的双渗流理论

主要完成人：于海滨、Jeppe Dyre、高亮

在凝聚态物理中，晶体只是物质有序结构的一种特例，而种类繁多的非晶态物质（又称玻璃态物质）则构成了更为复杂的无序体系。这类物质通常由液体经过玻璃化转变形成，在科学技术发展中具有深远影响——从文艺复兴时期的显微镜与望远镜，到信息时代的光纤与显示屏，玻璃态材料始终扮演着关键角色。此外，诸如蛋白质折叠、生命的低温保存乃至生物群体的集体行为等前沿领域，也与玻璃转变的物理规律存在着深刻联系。

非晶态物质通常由过冷液体经玻璃转变形成，这一转变并非传统意义上的相变，而是液体在冷却过程中结构被“冻结”。玻璃转变的本质是什么？这是Science杂志公布的 21世纪125个最具挑战的问题之一。玻璃态与液态结构相似，均是原子无序状态，但动力学行为却截然不同：液体能流动但玻璃态却不能。那么，液态何时、又为何会转变为玻璃态？这正是玻璃转变的关键科学问题。多位诺奖得主指出，解决这一问题，将推动凝聚态物理等领域的发展。从动力学角度看，玻璃转变涉及两个基本过程：主导流动的α弛豫和反映局域运动的β弛豫。它们的时间尺度相差至少四个数量级，但长期以来缺乏统一的理论描述。正如Wolynes院士指出的那样：“只要α与β弛豫被分开处理，玻璃理论就不可能完善。”

图为基于“构型位移”序参量的能量耗散模型

针对这一难题，我校国家脉冲强磁场科学中心于海滨教授团队提出了原创理论。团队从“无序体系中原子具有交换对称性”出发，引入“构型位移”作为核心序参量。令人振奋的是，该序参量在不同近似下可自然导出两种著名物理量：在一级近似下化简为爱因斯坦的均方根位移（RMSD），描述液体的α弛豫；在粗粒化近似下转化为Parisi重叠函数（overlap function），揭示玻璃态的β弛豫。由此，构型位移序参量首次实现了对两种弛豫的统一刻画。

图为阐明α与β弛豫普适机理的 “双渗流理论”示意图

在此基础上，研究团队进一步建立了弛豫过程的能量耗散模型，提出跨越六个时间数量级的原理方程，揭示了不同材料中能量耗散的普适标度关系。结合大规模计算机模拟，他们提出了“α–β双渗流理论”：液体冷却过程中，不可移动原子的渗流相变对应α弛豫，而在玻璃态中，可移动原子的渗流相变则触发β弛豫。这一模型在金属玻璃，氧化物玻璃等多种玻璃体系中均得到了验证，为理解跨越物质种类的非晶物质动力学转变提供了统一框架。

相关成果刊发在Nature Physics（“Unified percolation scenario for the α and β processes in simple glass formers”），列入当年度高被引论文，并获得国际同行的高度评价。Nature Physics在评论中指出：“玻璃转变动力学是一个世纪难题，而双渗流理论使其微观机制变得清晰。此外，研究成果还受到《中国科学：物理、力学与天文》的专题点评及国家自然科学基金委官网报道。该系列工作不仅从动力学角度深化了对“玻璃转变的本质”的理解，也为建立无序体系的统一理论框架奠定了坚实基础，为设计具有特定功能的新型非晶材料提供了重要理论依据。

于海滨团队长期以来持续深入开展非晶态物质“结构-弛豫-性能”关联的研究，取得了一系列关键性突破。自2024年以来，团队已在Nature Physics、National Science Review、Progress in Materials Science、Nature Communications、Science Advances、Advanced Science、Applied Physics Reviews、Acta Materialia、Chemical Science等知名期刊上发表SCI论文20余篇。得到了国家自然科学基金项目，国家脉冲强磁场科学中心、电气学院、物理学院以及强磁场计算平台、我校计算平台和分析测试中心等支持。