分子集团移动机理可能会揭示玻璃化转变奥秘

东华大学吴嘉麟(Jia Lin Wu) 教授提出了固-液转变中分子集团的移动机理，有望物理学家深化对玻璃化转变的理解和统一现有的各种玻璃化转变理论。相关研究结果发表在2012年4月份的美国物理研究所（AIP）出版的《AIP进展》期刊上。

“固体物理中最深奥最有兴趣的未解决问题可能就是玻璃和玻璃化转变” (诺贝尔奖获得者安德森—1995)。在固体中， 所有分子都只在各自的平衡位置振动， 问题是：在固态到液态的玻璃化转变中， 分子和分子集团是如何开始移动并离开它们作振动的平衡位置的呢?

在分子间最普通的范德瓦尔互作用中，一个有意义而未被探索的理论研究角落涉及到二分子间的一个“特别的界面排斥态”体系的整体性质。不论单个分子（大分子的链粒子）的结构有多复杂，二个相邻分子间的任何一点点的相对移动总是倾向于它们沿某一方向，例如沿Z轴分离，而从X-Y投影面上来看，这二个分子的瞬时电偶极矩的负诱导电荷，在这二分子之间的界面上可“同步配对”，作“平行移动”，从界面的一端“同步地”平行移动到另一端。配对电荷在界面上的这一“短暂的定向流动”可用一个箭头表示。配对电荷也因同步移动，获得一个附加的静电排斥能，这种瞬时界面态称为界面激发态。

在X-Y投影面上，当一个分子的4个界面被4个连续箭头占有，该分子并不发生转动。然而，因诱导电荷来自于分子中所有原子中的全部瞬时电子态之和的贡献，可以理解，当分子沿Z轴方向移动时，这4个箭头已携带了该种材料分子的全部结构信息。全部的相邻分子的界面形成一个2维正方形栅格子图。关键的奇异性是：在这2维格子图上，当箭头与箭尾恰巧一个接着一个相连，连接成一个带有环流方向的2维闭合环流时，被环流围住的众分子将形成一个有移动方向和有硬性排斥界面的瞬时2维集团，并可在Z方向上获得非和谐的、由体系中多出来的这个“平行移动环流”引起的一个附加诱导势，诱导该集团沿Z轴方向有一微小的位移。这就是分子间范德瓦尔互作用中的一个“特别排斥态体系”的整体性质。而形成不同大小环流所需的不同时间，正是物理学家们一直在寻找的“松弛时间谱”的物理起源。  

从X-Y投影面上来看，大量相同尺度、相互重迭相互渗透的、较小的2维环流，会演化形成一些较大的2维环流；而这些相同尺度、也相互重迭相互渗透的较大的2维环流，又再演化形成更大更高一级的2维环流，环流的这种从低到高的逐级演化称为“反串级”。理论給出：在固-液转变的整个温度范围内，只存在8级2维集团，而且，只存在唯一的一种纳米尺度（200个分子）的由第8级环流构成的瞬时“2维马赛克几何势图”。环流的稳定性条件决定了它只能按如下的方式出现。每个分子界面自发地从无数个瞬时偶极矩态中，选出箭头态，并使所有箭头形成的2维环流沿同一个方向，从小到大、由快到慢反串级，直至形成最大一级即第8级二维环流和第8级2维集团；而一个刚形成的第8级二维环流，又会被随后出现的、四个邻近反方向演化中的二维环流所淹没。于是，环流从第8级开始，反向演化，由大到小解散各级环流，更新出新的第7级，第6级…环流和集团。每个环流更新了所围住的众分子成员和每个分子在Z轴方向的“一点点位移”。更新集团一直到第一级，这个过程称为“串级”。

此后，所有新形成的第一级环流再沿原方向反串级到新的第8级，并反复这一运动模式。这是在3维空间中沿一个方向重排分子结构的最低能量方式。在玻璃化转变中， 在每个纳米尺度空间中的所有的分子和分子集团，都会随机选定某一个局域方向，在多次的反串级-串级运动中以重排结构的方式，在该局域方向上合作、依次先-后地移动，略微地离开它们原先在固态中的振动平衡位置，称为合作离域。第8级2维环流的尺度，对应于实验中能观察到的波色峰波长。反串级中的所有激发界面中的附加能量，以“快--慢相嵌”方式汇集在第8级的2维环流中，这个能量称为微观集团的“离域能”。于是，玻璃化转变就是宏观体系中的无规热运动能量，恰巧达到微观集团的离域能时，突然在宏观上观测到的所有微观集团的离域运动连成一片的现象，物理学上称为“层现现象”（Emergent Phenomenon）。
  
瞬时2维马赛克几何势图的存在，是物理学理论发展中的重要事件。它填补了物理学中许多交叉学科间的一个理论空白，也揭示了凝聚态物理学中最难克服的动力学与热力学汇合的物理起因。它也是破解现有凝聚态物理学中一批难题的理论基础，必将对低温超导，材料科学，物理化学，高分子物理学，生物物理，生命科学和流体力学等众学科的理论发展产生深远影响。因为术语“反串级-串级”也是湍流科学的最基本概念，或许，被爱因斯坦称作的、经典物理学的最后难题，湍流的物理起因也与这个2维几何势图有关。

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