寧波材料所在玻璃轉(zhuǎn)變與液體脆性的統(tǒng)一熱力學(xué)模型方面取得進(jìn)展
玻璃態(tài)物質(zhì)在自然界中廣泛存在，在光學(xué)、電力電子、信息通信、建筑、科技等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。與晶體的原子周期性排列結(jié)構(gòu)不同，玻璃具有獨(dú)特的無(wú)序原子/分子結(jié)構(gòu)。玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和過(guò)冷液體的脆度系數(shù)(m)作為玻璃轉(zhuǎn)變的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，已被廣泛用于表征玻璃形成能力與特性。因此，研究Tg和m的物理起源對(duì)理解玻璃本質(zhì)和預(yù)測(cè)玻璃特性，設(shè)計(jì)優(yōu)異性能的玻璃材料具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所王軍強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)前期基于經(jīng)典絕對(duì)反應(yīng)速率理論，提出了適用于量熱分析的絕對(duì)反應(yīng)速率理論表達(dá)式【Phys. Rev. Lett. 125, 135501 (2020).】。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)與燕山大學(xué)/河北工業(yè)大學(xué)王利民教授、丹麥愛(ài)爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征教授合作，基于絕對(duì)反應(yīng)速率理論，分析了金屬玻璃、高分子玻璃、硫系玻璃、氧化物玻璃等150余種不同玻璃態(tài)材料的Tg隨升溫速率的變化關(guān)系，首次計(jì)算獲得了玻璃轉(zhuǎn)變的激活焓、激活熵和激活自由能。研究發(fā)現(xiàn)Tg與激活自由能之間存在線性關(guān)系、m與激活熵之間也存在線性關(guān)系。
這兩個(gè)線性關(guān)系的建立為理解玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象以及玻璃態(tài)本質(zhì)提供了理論基礎(chǔ)，也給出了一些重要預(yù)測(cè)和啟示：（1）由于低溫量子效應(yīng)，玻璃態(tài)物質(zhì)可能存在的最低Tg為25.6 K。（2）基于Boltzmann的熵定義，預(yù)測(cè)液體的最大m為229。（3）激活自由能增加有利于玻璃形成能力，而激活熵增加會(huì)降低玻璃形成能力。（4）激活熵的概念為理解受限和低維玻璃的物理特性提供了新角度。
本研究基于絕對(duì)反應(yīng)速率理論，首次從實(shí)驗(yàn)和理論上將宏觀動(dòng)力學(xué)行為（Tg, m）與微觀勢(shì)能景觀（PEL）參數(shù)統(tǒng)一，為理解玻璃本質(zhì)提供了理論框架。相關(guān)結(jié)果為調(diào)控玻璃塑性、抗晶化能力等提供新思路。
研究成果以“A unified thermodynamic picture for the glass transition and liquid fragility”為題發(fā)表在Science China?Physics, Mechanics & Astronomy上（DOI：10.1007/s11433-025-2707-5），并被選為Editor Focus。西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)E.?Pineda教授專門(mén)撰寫(xiě)了Highlight評(píng)述文章。寧波材料所宋麗建研究員為該論文的第一作者，燕山大學(xué)/河北工業(yè)大學(xué)王利民教授、丹麥奧爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征教授、寧波材料所王軍強(qiáng)研究員為通訊作者。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（52271158, 52231006, 52222105）、浙江省自然科學(xué)基金（LGF22E010002, LZ22A030001, LR22E010004）、浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃（2022C01023）等項(xiàng)目的資助。
圖1. (a)–(c) 玻璃轉(zhuǎn)變的激活焓、激活熵和激活自由能與玻璃轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系
圖2. (a) 金屬玻璃的熱流曲線；(b) 激活自由能和玻璃轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系
圖3. (a) 玻璃轉(zhuǎn)變的激活熵與脆度的關(guān)系；(b) 激活熵對(duì)強(qiáng)脆轉(zhuǎn)變影響Angell圖；(c) 玻璃轉(zhuǎn)變的振動(dòng)熵/構(gòu)型熵比值與激活熵的關(guān)聯(lián)
圖4. (a) 激活焓、激活熵與激活自由能的關(guān)系；(b) 能量地形圖示意圖
（磁性材料及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室 宋麗建）
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