東京大學先端科學技術研究中心田中肇高級項目顧問（特任研究員）、Wang Yinqiao特任研究員，以及中國科學技術大學的錢莊博士生、童華教授等組成的國際聯合研究團隊，成功製備出具有卓越穩定性的超均勻（Hyperuniform）非晶狀固體，即超均勻玻璃，並明確了其基本性質，同時在堵塞轉變和理想玻璃相變方面取得了新發現。相關成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1 超均勻玻璃的快照（供圖：東京大學）
圖2 超均勻玻璃狀態的密度分布及其形成過程。初始的隨機填充狀態（a）以及經過新演算法疊代處理後的超均勻過填充玻璃狀態（b）的快照。粒子根據局部填充率ϕᵢ=4πRᵢ³/3Vᵢ進行著色，其中Rᵢ為粒子半徑，Vᵢ為對應的沃羅諾伊體積。（c）不同疊代次數niter下的密度譜χᵥ(q)。隨著疊代次數的增加，低波數區域的密度波動減少，最終實現以虛線表示的冪律縮放關係。（供圖：東京大學）
超均勻玻璃在低波數（q）區域，即長距離尺度上，密度波動被顯著抑制，因其獨特性質作為一種特殊的玻璃狀態而廣受關注。特別是在粒子高度填充時，從流動行為向固態行為轉變的堵塞轉變現象中，但關於堵塞轉變點之上的超均勻度特徵，以及在超過堵塞點的更高密度狀態下超均勻度能否得以維持的問題，長期以來一直存在爭議。
研究團隊通過使用特殊演算法，首次成功在遠高於堵塞點的高密度狀態下，數值生成了具有最強超均勻度的非晶狀固體。
這種玻璃態的特徵在於其密度譜遵循冪律關係（qα，α=4）。此外，研究表明，通過將超均勻填充狀態和密度波動較大的常規過填充狀態分別減壓至各自的堵塞點，明確了堵塞點之上的超均勻狀態下，存在與製備過程無關的冪律指數。特別是，密度的超均勻度的冪指數為α≈0.25，粒子間接觸數的超均勻度指數為α≈2，兩者均與堵塞轉變點的臨界性密切相關。
此外，儘管極限堵塞狀態和既往的過填充狀態都表現出極限穩定性，但超均勻的過填充狀態具有可與晶體相媲美的卓越的振動、動力學、熱力學和短路機械穩定性。
此次發現不僅為超均勻過填充玻璃狀態提供了關於理想非晶狀固體狀態的重要見解，還可能在兼具超均勻度和超穩定性的特殊玻璃態的設計，以及具有非晶狀結構的超材料的形成等應用領域產生重大影響。
田中高級項目顧問表示：「20多年前，Torquato和Stillinger提出了在無序緻密填充狀態下，長波長密度波動被抑制的‘無序超均勻度’概念。無序超均勻材料兼具液體的各向同性和晶體的密度波動抑制特性，並展示出優異的光學和電子特性。此次我們成功製備了在熱力學和力學上極為穩定的超均勻過填充玻璃態，說明玻璃也能實現與晶體相當的穩定性。我們期待這一成果能夠推動玻璃材料穩定性的提升，並拓展其在新領域的應用可能性。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Hyperuniform disordered solids with crystal-like stability
DOI：10.1038/s41467-025-56283-1/
