非晶液固转变及非晶固体特性与振动模式的关系

摘要

非晶物质是对结构上缺乏长程有序这类物质的统称，比如玻璃，沙堆等等。玻璃化转变与Jamming转变是这类物质的液固转变的典型代表，在转变前后系统的结构几乎不变，而系统却从流动状态变为有刚性的固体，控制这类转变的因素有温度，密度，剪切力，Jamming相图统一描述了具有这类相同特点的转变。非晶固体在力学，热力学，电学等物理性质上有着特殊性，也因此广泛应用在日常生活和工业生产上，然而由于其复杂性，对于非晶物质的液固转变以及其固体性质背后的物理机制的理解依然有限。在本文中，从振动特性上研究了非晶固体的性质以及各向异性对于非晶物质液固转变的影响。
　　在零温下，由于粒子的速度为零，系统中的粒子不相互接触，因此没有刚性，体积分数达到无规密堆积体积分数并发生Jamming转变才能形成有刚性的非晶固体。在低温下，系统的玻璃化转变体积分数小于无规密堆积体积分数，但是处于这两个体积分数之间的系统确是有刚性的固体，而这个区间正是等效的硬球玻璃。我们从动力学结构因子得到了色散关系以及衰减系数，并确定了Ioffe-Regel极限频率，当振动模式的频率大于Ioffe-Regel极限频率时，其平均自由程小于波长，因此它不能被严格定义为声子。在低温下系统先后经历玻璃化转变与类Jamming转变，而横波与纵波的Ioffe-Regel极限频率分别消失于玻璃化转变体积分数与类jamming转变体积分数，因此这两个体积分数之间的硬球玻璃只能承受纵波声子而不能承受横波声子，而当体积分数大于类Jamming转变体积分数的时候，系统既能承受纵波声子又能承受横波声子，这属于普通的固体。我们继续计算了硬球玻璃剪切模量和体积模量的比值，它随着体积分数变大而减小，在类Jamming转变点达到最小值，这与类Jamming转变点以上的普通玻璃完全相反，这应该是硬球玻璃特殊性的体现之一。
　　在低温下的椭球系统，我们用模耦合理论公式从扩散系数拟合出了平动与转动的玻璃化转变体积分数，存在一个转变的长径比，当大于这个长径比时，系统转动和平动自由度先后进入玻璃态，然而当小于这个长径比的时候，则相反。平动自由度的玻璃化转变体积分数随长径比是非单调的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 玻璃化转变及玻璃态

1．2．1 玻璃化转变

1．2．2 玻璃化转变温度

1．2．3 熵危机

1．2．4 玻璃的脆性

1．2．5 玻璃化转变的弛豫过程

1．2．6 玻璃的动力学异质性

1．2．7 玻璃化转变的相关理论

1．3 Jamming转变

1．3．1 Jamming相图

1．3．2 Jamming转变的临界行为

1．3．3 Jamming转变振动特性

1．3．4 Jamming转变的尺度问题

1．3．5 深度Jamming转变

第二章 计算模拟方法

2．1 常用的作用势

2．2 基本单位

2．3 边界条件

2．4 邻居列表(Neighbour List)

2．5 淬火方法

2．6 分子动力学

2．6．1 预测-修正算法

2．6．2 Verlet算法

2．6．3 恒温恒容系统和恒温恒压系统的运动方程

2．6．4 硬球的分子动力学模拟

第三章 非晶固体的特性与振动模式的关系

3．1 引言

3．1．1 固体的振动与声子

3．1．2 硬球玻璃的特性

3．1．3 Ioffe-Regel极限，玻色峰与非晶固体性质的关系

3．2 主要研究内容

3．2．1 零温玻璃的Ioffe-Regel极限与尺度

3．2．2 硬球玻璃的振动特性

3．2．3 高密度下的纵波Ioffe-Regel极限

3．3 本章小结

第四章 各向异性粒子系统的液-固转变与振动特性

4．1 引言

4．1．1 各向异性粒子

4．1．2 椭球系统的液体-液晶-固体的转变

4．2 主要研究内容

4．2．1 各向异性软椭球系统的Jamming转变

4．2．2 椭球系统中两步玻璃化转变

4．2．3 双原子分子的振动特性

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

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