玻璃的本質(zhì)以及玻璃化轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是凝聚態(tài)物理最深刻和困難的問題之一。過冷液體既可以發(fā)生“結(jié)晶相變”，從無序液體演化成有序晶體；又可以發(fā)生“玻璃相變”形成非晶固體即玻璃態(tài)。雖然流動和大尺度的結(jié)構(gòu)弛豫被“凍結(jié)”，表現(xiàn)出類似固體的性質(zhì)，但在玻璃或非晶固體中仍然存在微小尺度的結(jié)構(gòu)弛豫，對應(yīng)于系統(tǒng)在不同的固有狀態(tài)（Inherent State）間的跳躍。玻璃態(tài)系統(tǒng)具有非常多的固有狀態(tài)（Inherent State），并且，玻璃態(tài)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)弛豫的動力學(xué)呈現(xiàn)出奇特的“層級性”，從快到慢分成快Beta弛豫、慢Beta弛豫和Alpha弛豫，在時間尺度上可以橫跨10¹²數(shù)量級。其中，Alpha弛豫在可測時間內(nèi)的停止（弛豫時間發(fā)散）是發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的主要特征。讓學(xué)界一直困惑的是幾乎所有的玻璃態(tài)系統(tǒng)中都可以觀測到慢Beta弛豫，既可以出現(xiàn)在玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)之前（深過冷液體），又可以發(fā)生于玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)之后，而且在譜學(xué)上表現(xiàn)出多樣化的特征。從微觀動力學(xué)角度剖析Beta弛豫的快慢分級，闡釋慢Beta弛豫行為的普遍性、多樣性及其與Alpha弛豫的關(guān)聯(lián)是深入理解玻璃態(tài)系統(tǒng)奇特動力學(xué)“相行為”的關(guān)鍵核心問題。

圖1. 能量圖景中各層級弛豫示意圖，以及二維雙分散顆粒系統(tǒng)實(shí)驗裝置示意圖。

研究上述問題需要將不同時間、空間尺度的弛豫準(zhǔn)確區(qū)分，但不同弛豫的時間尺度相隔多個數(shù)量級且Beta弛豫的空間尺度非常??；想要通過實(shí)驗在如此巨大的時間尺度上中獲取粒子微小運(yùn)動的實(shí)空間信息，非常具有挑戰(zhàn)性。為了實(shí)現(xiàn)玻璃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)弛豫過程的可視化，研究團(tuán)隊設(shè)計了由磁盤組成的二維(2D)雙分散顆粒系統(tǒng)，可以在超長時間內(nèi)精確測量微小的結(jié)構(gòu)調(diào)整。通過引入隨機(jī)粒子釘扎，以可控的方式誘導(dǎo)玻璃化轉(zhuǎn)變；同時通過施加足夠小的機(jī)械擾動，模擬低溫下的熱激發(fā)。該模型系統(tǒng)可以探測從接近玻璃態(tài)到深入玻璃態(tài)的弛豫動力學(xué)。此外通過膠體實(shí)驗，我們建立了另一種相互作用形式的模型系統(tǒng)。

通過使用兩類模型系統(tǒng)作為極限，（Type I系統(tǒng)，長程-軟相互作用模型和Type II系統(tǒng)，硬球作用模型），研究團(tuán)隊揭示了玻璃態(tài)系統(tǒng)弛豫動力學(xué)“分層級”的普遍性，又解釋了同一層級的弛豫行為在微觀表現(xiàn)形式上的多樣性：I類和II類系統(tǒng)具有同樣的弛豫動力學(xué)分級特性、同樣的Alpha弛豫微觀形式和不同極限形式的慢Beta弛豫。

表1.不同非晶固體以及晶體中，結(jié)構(gòu)弛豫模式的比較。

此研究工作對玻璃態(tài)系統(tǒng)不同層級和時間尺度的弛豫行為進(jìn)行剖析，量化了各類結(jié)構(gòu)弛豫，并與宏觀力學(xué)特性（硬度）對應(yīng)，深化了學(xué)界對玻璃態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜動力學(xué)行為的認(rèn)識，同時希望為制備具有長時間穩(wěn)定性和理想機(jī)械性質(zhì)的新材料提供思路。