玻璃態物質廣泛應用於窗玻璃和透明塑料等日常生活中，自古以來就為人類生活帶來了巨大的便利。然而，與晶體不同，玻璃沒有明確的規則結構，我們對其物理性質的瞭解也落後於晶體。特別是，眾所周知，在液體冷卻到熔點以下溫度的過冷狀態下，分子和原子的運動會隨著溫度的降低而變得極其緩慢，但這背後的物理機制長期以來一直是個謎。
由東京大學先端科學技術研究中心的高級項目顧問（研究當時為教授）田中肇、研究生院工學系研究科博士生（研究當時）石野誠一郎和松山湖材料研究所的Yuan-Chao Hu教授（研究當時為生產技術研究所學振外國人特別研究員）組成的研究團隊，通過使用玻璃形成的液體模型進行數值研究，著眼於單個粒子的運動，從微觀層面上闡明瞭基本粒子重排模式T1過程與液體的結構秩序和動態行為之間的關係。研究成果已發表在《Nature Materials》上。
圖 粒子在經歷T1過程後（青色）的區域，隨著時間的推移，逐步從低有序區域（藍色）擴展到高有序區域（紅色）。（供圖：東京大學生產技術研究所）
研究團隊針對玻璃化二維模式液體，重點關注了T1過程並進行了數值模擬。結果表明，T1過程是否能保持液體内部形成的有序結構，是決定液體減速快慢（脆性）的關鍵因素。矽石等非脆性（堅強）液體遵循阿倫尼烏斯模型，減速相對較慢，而脆性液體則會隨著溫度的降低而迅速減速（超阿倫尼烏斯）。
研究表明，當T1過程破壞了局部結構的有序性時，運動中就不會出現協調性，其動力學會表現出類似於阿倫尼烏斯的溫度依賴性。另一方面，當T1過程以有序方式發生時，會發現它以鏈條的方式逐步從無序區域擴展到高有序區域，其協調運動會導致有效活化能的增加，從而產生類似超阿倫尼烏斯的行為。
這一發現在液體秩序的增長、運動的協調和超阿倫尼烏斯運動之間提供了一個長期尋求的粒子級微觀聯繫，為超冷液體中的結構、運動關係提供了一個新的視角。它有望為玻璃形成物質的動力學控制提供一個新的視角，並有助於提高材料設計效率和改進玻璃生產工藝。
田中高級項目顧問評論說，「玻璃形成液體在接近玻璃反轉溫度時，其動力學速度會迅速減慢，但其機制此前一直是個謎。通過關注粒子重新排列的基本模式，本研究為液體中形成的秩序如何導致緩慢動力學的謎團提供了一個答案。我們希望這將有助於解開玻璃形成物質表現出的緩慢動力學這一長期謎團」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Materials
論文：Microscopic structural origin of slow dynamics in glass-forming liquids
DOI：10.1038/s41563-024-02068-8
