李艳伟、姚裕贵等在多组分体系二维熔化机理方面取得重要进展

wumian

近日，北京理工大学物理学院李艳伟研究员、姚裕贵教授同新加坡南洋理工大学数学物理学院Massimo Pica Ciamarra教授合作，在二维熔化研究中取得重要进展，相关结果发表在物理学顶尖期刊Physical Review Letters上。
        三维体系中，晶体-液体转变通常是一级相变且不存在中间相态，而二维晶体到液体的转变更为复杂有趣。根据KTHNY理论，二维体系中，介于晶体与液体之间可能存在中间六角相；近期研究表明，虽然晶体到六角相的转变为连续相变，但是六角相到液体的转变既可能是连续相变，也可能是一级相变。熔化过程中还伴随体系缺陷的演化，如晶体中的位错(dislocation)往往是成对出现的；六角相中则出现成对的位错解离为孤立的位错；液体中孤立的位错可进一步解离为向错(disclination)。到目前，共发现三种不同的二维熔化机理，即不存在中间相的晶体-液体一级相变机理；KTHNY理论预测的两个接连发生的晶体-六角相及六角相-液体连续相变机理；晶体-六角相连续相变、六角相-液体一级相变的混合机理。许多因素可影响二维熔化机理，如粒子形状。研究发现具有硬相互作用的单组分正六边形体系遵循连续相变机理，圆形体系遵循混合机理，而正五边形体系遵循一级相变机理。
         以往的研究往往集中在单组分体系，而多组分体系的熔化行为更加复杂，如依赖于多组分的配比，熔化机理如何选择与过渡到单组分的情况？混合两种组分粒子，有没有可能遵循不同于单组分的熔化机理？能否获得低于单组分熔化温度或者在硬粒子体系中高于单组分熔化密度的低共熔混合物？拓扑缺陷是否像单组分体系那样与相行为密切关联？

图1. 圆形-正五边形二组分混合体系中固相(左)，六角相(中)，固-液共存相(右)中的缺陷(红色和蓝色)分布。红色、绿色、蓝色分别代表粒子有5、6、7个近邻。

围绕以上科学问题，团队设计了同一尺寸的圆形，正六边形，正五边形的二组分及三组分混合体系，基于分子动力学模拟研究了不同配比下体系的相行为及缺陷演化。由于尺寸的均一性，不同形状粒子的混合是均匀的(图1)，没有出现相分离或玻璃化转变的过程。

图2. 不同二组分体系的(a)熔化相图及(b)缺陷密度随配比的依赖规律

       在二组分体系中(图2上栏 )，混合圆形及正六边形粒子及混合正五边形和正六边形粒子，体系的熔化机理均从一个单组分遵循的机理过渡到另一个单组分遵循的机理；而混合正五边形及圆形粒子，我们发现混合体系可遵循不同于两个单组分机理的KTHNY连续相变机理，且此混合体系为低共熔混合物体系。我们进一步研究了体系拓扑缺陷(粒子的近邻数非6个)的演化，发现在当缺陷浓度大于0.046及大于0.123时(图2下栏 )，固相与六角相分别失稳，这提供了通过缺陷浓度判定相态的准则。我们进而建立了三元融化相图，发现KTHNY相变机理总是介于一级相变机理及混合机理之间。本工作为理解二维熔化机理提供了有益启示。

图3. 三组分体系的熔化相图

        相关工作发表在Physical Review Letters上，北京理工大学物理学院李艳伟研究员为第一作者兼通讯作者，北京理工大学物理学院姚裕贵教授和新加坡南洋理工大学Massimo Pica Ciamarra为论文共同通讯作者。该工作第一单位为北京理工大学物理学院，并得到国家自然科学基金、北京理工大学青年学者学术启动计划等项目的支持。
        文章来源：北京理工大学
       姚裕贵， 江西省星子县人，1971年生。现为北京理工大学工作，任教授、博士生导师、理论和计算物理中心主任、物理学院副院长。
      李艳伟，北京理工大学物理学院研究员、博导。2016年博士毕业于中科院长春应化所，之后(2016-2020)在新加坡南洋理工大学数学物理学院从事博士后研究工作，2020年底加入北京理工大学物理学院。主要从事软物质体系，如非晶，结晶体系，细胞体系中的相行为、结构与动力学的研究，基于计算机模拟探索并理解软物质体系中有趣物理性质。