玻璃的本質以及玻璃化轉變被認為是凝聚態(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構弛豫被“凍結”，表現(xiàn)出類似固體的性質，但在玻璃或非晶固體中仍然存在微小尺度的結構弛豫，對應于系統(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)中結構弛豫的動力學呈現(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弛豫在可測時間內的停止（弛豫時間發(fā)散）是發(fā)生玻璃化轉變的主要特征。讓學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)在玻璃轉變點之前（深過冷液體），又可以發(fā)生于玻璃轉變點之后，而且在譜學上表現(xiàn)出多樣化的特征。從微觀動力學角度剖析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弛豫的關聯(lián)是深入理解玻璃態(tài)系統(tǒng)奇特動力學“相行為”的關鍵核心問題。

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小；想要通過實驗在如此巨大的時間尺度上中獲取粒子微小運動的實空間信息，非常具有挑戰(zhàn)性。為了實現(xiàn)玻璃系統(tǒng)結構弛豫過程的可視化，研究團隊設計了由磁盤組成的二維(2D)雙分散顆粒系統(tǒng)，可以在超長時間內精確測量微小的結構調整。通過引入隨機粒子釘扎，以可控的方式誘導玻璃化轉變；同時通過施加足夠小的機械擾動，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。此外通過膠體實驗，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），研究團隊揭示了玻璃態(tài)系統(tǒng)弛豫動力學“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，結構弛豫模式的比較。

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行剖析，量化了各類結構弛豫，并與宏觀力學特性（硬度）對應，深化了學界對玻璃態(tài)系統(tǒng)復雜動力學行為的認識，同時希望為制備具有長時間穩(wěn)定性和理想機械性質的新材料提供思路。