玻璃态物质广泛应用于窗玻璃和透明塑料等日常生活中，自古以来就为人类生活带来了巨大的便利。然而，与晶体不同，玻璃没有明确的规则结构，我们对其物理性质的了解也落后于晶体。特别是，众所周知，在液体冷却到熔点以下温度的过冷状态下，分子和原子的运动会随着温度的降低而变得极其缓慢，但这背后的物理机制长期以来一直是个谜。
由东京大学先端科学技术研究中心的高级项目顾问（研究当时为教授）田中肇、研究生院工学系研究科博士生（研究当时）石野诚一郎和松山湖材料研究所的 Yuan-Chao Hu 教授（研究当时为生产技术研究所学振外国人特别研究员）组成的研究团队，通过使用玻璃形成的液体模型进行数值研究，着眼于单个粒子的运动，从微观层面上阐明了基本粒子重排模式T1过程与液体的结构秩序和动态行为之间的关系。研究成果已发表在《Nature Materials》上。
研究团队针对玻璃化二维模型液体，重点关注了T1过程并进行了数值模拟。结果表明，T1过程是否能保持液体内部形成的有序结构，是决定液体减速快慢（脆性）的关键因素。硅石等非脆性（坚强）液体遵循阿伦尼乌斯模型，减速相对较慢，而脆性液体则会随着温度的降低而迅速减速（超阿伦尼乌斯）。
研究表明，当T1过程破坏了局部结构的有序性时，运动中就不会出现协调性，其动力学会表现出类似于阿伦尼乌斯的温度依赖性。另一方面，当T1过程以有序方式发生时，会发现它以链条的方式逐步从无序区域扩展到高有序区域，其协调运动会导致有效活化能的增加，从而产生类似超阿伦尼乌斯的行为。
这一发现在液体秩序的增长、运动的协调和超阿伦尼乌斯运动之间提供了一个长期寻求的粒子级微观联系，为超冷液体中的结构、运动关系提供了一个新的视角。它有望为玻璃形成物质的动力学控制提供一个新的视角，并有助于提高材料设计效率和改进玻璃生产工艺。
田中高级项目顾问评论说，“玻璃形成液体在接近玻璃转化温度时，其动力学速度会迅速减慢，但其机理此前一直是个谜。通过关注粒子重新排列的基本模式，本研究为液体中形成的秩序如何导致缓慢动力学的谜团提供了一个答案。我们希望这将有助于解开玻璃形成物质表现出的缓慢动力学这一长期谜团”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Materials
论文：Microscopic structural origin of slow dynamics in glass-forming liquids
DOI：10.1038/s41563-024-02068-8
