近日，中南大学材料科学与工程学院彭海龙副教授等人在物理学国际顶级期刊Physical Review Letters（《物理评论快报》）上发表了题为“Nonmonotonic Dynamical Correlations beneath the Surface of Glass-Forming Liquids”（过冷液体表面非单调动力学关联长度）的研究成果。该论文是中南大学彭海龙副教授、刘华山教授与德国宇航中心Thomas Voigtmann合作取得的最新研究成果，我校为第一单位。

非晶材料的自由表面由于具有较快的扩散系数，可被用于制备超稳玻璃、纳米结构表面材料等特殊材料。通过控制表面原子动力学行为，将原子一层接一层地沉积在表面，可开发出新特性材料，因此研究非晶材料表面的动力学行为，对研发新型薄膜材料具有重要意义。同时，表面动力学行为研究对于明晰玻璃转变特点具有重要作用。例如，人们发现液体表面气化层的厚度在临界温度点附近发散，且其发散的速度正比于块体中的关联长度。这启示人们可以通过研究表面、界面来研究相变。已有研究表明，当过冷液体中一部分原子被钉扎后，剩余液体在被钉扎区域附近受到影响，其影响距离和过冷度有关。但由于钉扎的体系受到了外力的约束而使得系统偏离平衡态，因此该影响距离所定义的动态关联长度是否和液体中本征的协同运动区尺度相关联，还存在争议。

图1（a）模拟的CuZr液体表面原子构型示意图；（b）CuZr金属和Lennard-Jones(LJBM)熔体表面动力学关联长度随温度呈现非单调的变化；（c）快体熔体中协同运动区形状各向异性比随温度也呈现非单调的变化。红/蓝色圆圈为协同运动区原子的示意图。

中南大学材料学院彭海龙团队采用分子动力模拟研究了过冷液体表面的动力学行为，通过分析表面原子被加速的深度来考察液体中原子协同运动的尺度，即动力学关联长度随过冷度的变化。发现表面动力学的穿透深度随着温度的降低先增加后降低，这表明原子协同运动区的空间关联尺寸在低温下出现了异常降低。该现象与传统认知的关联长度在玻璃转变温度点发散的观点不一致。他们通过进一步分析协同运动区在不同温度下的形状特征，发现该关联长度的异常降低是由于协同运动区由链状转变为核状（即链状结构折叠成更紧密的球状结构）而导致。在动态关联长度出现最大的温度点，协同运动区形状也恰好呈现出了最大的各向异性。该协同运动区的转变符合描述玻璃转变的随机一级相变（RFOT）理论预测。但是，他们发现该转变的温度高于RFOT理论预测，可以用扩展的Mode-Coupling Theory（MCT），即随机beta弛豫MCT理论来解释。该成果不仅对理解材料制备过程中发生的表面现象具有重要启示作用，还加深了人们对玻璃转变过程中协同运动区演变规律的认知。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.215501