北京理工大学团队在非晶态转变的动力学方面取得重要研究进展
来源： 供稿： 摄影： 审核：陈珂、李翔 作者： 发布时间：2026-10-16 浏览量：
近日，北京理工大学物理学院吕勇军教授团队与中科院东莞材料科学与技术研究所武振伟研究员、汪卫华院士合作在非晶态转变的动力学机理方面取得重要研究进展。相关工作以“Topological Defects Control Dynamic Crossover in Glass-Forming Liquids”为题，发表于国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。北京理工大学为该工作的唯一通讯单位，吕勇军教授为第一作者和通讯作者。
在极高的冷却速率条件下，液体一般会绕过结晶而形成原子或分子排列长程无序的非晶态。从动力学的角度来看，该过程伴随着粒子运动和结构弛豫逐渐变慢，最终形成难以在实验观测时间尺度内完全弛豫的非晶态。然而，越来越多的研究表明非晶态的形成并非简单的动力学迟滞过程。研究表明，随着温度降低，过冷液体的扩散和结构弛豫等动力学性质会经历明显的转变：在中低过冷区，动力学通常呈现相对平缓的变化；进入深过冷区后，结构弛豫则会急剧减慢，并表现出明显偏离Arrhenius 规律的超 Arrhenius 行为。过去几十年来，物理学家和材料学家提出了多种理论模型来解释不同温度区间的液体动力学，但如何从统一的物理图像理解跨越整个过冷区的动力学演化，仍是非晶态物理研究的重要问题之一。
针对上述问题，研究团队采用分子动力学模拟方法，系统研究了高分散度粒子系统的非晶态形成过程，并从动力学拓扑缺陷的角度提出了一种理解非晶态转变动力学的新思路。研究发现，粒子位移矢量场中存在大量具有非平庸拓扑结构的缺陷，即正、反涡旋。随着温度降低，涡旋的数密度及其几何结构呈现非单调变化，并伴随着一系列拓扑转变。在这些转变过程中，涡旋数密度会发生不连续变化，涡旋团簇的尺寸和手性分布也会随之不连续改变。
进一步研究表明，在中低等过冷区，短程涡旋团簇与结构弛豫密切相关，其几何特征的变化与经典模式耦合理论所描述的动力学行为相对应。而在深过冷区，拓扑转变促使部分涡旋团簇形成更长的涡旋线结构。这些结构能够通过促进邻近区域的弛豫，参与局部结构重排和整体结构弛豫。涡旋及涡旋线的形成、演化和重组，为理解深过冷液体中结构弛豫的间歇性变化及超 Arrhenius 动力学行为提供了新的视角。
基于上述发现，研究团队建立了一套以拓扑缺陷为内核的动力学描述框架，将中低等过冷区与深过冷区的不同动力学特征联系起来，揭示了涡旋的数量、几何形态及其拓扑转变与非晶条形成过程中动力学转变之间的关联。这项研究为理解过冷液体中复杂的动力学演化提供了新的思路，也为从拓扑结构出发研究非晶态形成机制开辟了新的方向。
上述工作得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目的支持。