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液体向玻璃过渡的性质是科学中的一个主要难题。在玻璃到液体的转变，即玻璃熔化中也存在类似的挑战，特别是对于研究不多的表面效应。 在此，来自香港科技大学等单位研究者，通过气相沉积来组装胶体玻璃，并通过调整颗粒的吸引力来熔化它们。结构和动态参数在不同的深度达到饱和，这定义了一个表面液体层和一个中间的玻璃质层。相关论文以题为“Surface premelting and melting of colloidal glasses”发表在Science Advances上。 论文链接： https://www./doi/10.1126/sciadv.adf1101
玻璃熔化并非是液态到玻璃转变的反向过程，即非无定形化或玻璃转变。例如，在熔化期间，固体母相中可能存在应变，但在无定形化期间液态母相中不存在应变。玻璃的热容在冷却和加热过程中均表现出滞后效应。快速淬火液态物质可以产生玻璃，但在相同速率下加热玻璃可能会产生晶体，即失玻璃化，而不是熔化。与广泛研究的玻璃转变不同，玻璃熔化的研究处于初步阶段。对于普通玻璃，液态物质通常通过类似于成核的过程在体积内均匀形成，并具有类似于Avrami动力学的生长，而在自由表面（即气体-固体界面）的熔化与在大体积中的熔化相比可以忽略不计。相比之下，超稳定玻璃显示出不均匀表面熔化。晶体表面通常在略低于熔点Tm时形成一层薄液体层，即表面预熔。当T≥Tm时，这种表面液体向体积内传播，即表面熔化，并且阻止了从内部开始的熔化。表面熔化已经在原子和分子超稳定玻璃中进行了研究，但缺乏微观测量、与晶体的比较和量化理论。在玻璃熔化中，玻璃转变温度Tg扮演了晶体熔化中的Tm的角色，但玻璃是否显示表面预熔尚未探索。 除了熔化外，玻璃表面的行为，如表面移动层，是分子薄膜玻璃、金属薄膜玻璃和聚合物薄膜玻璃研究的关键课题。通过比较不同厚度的薄膜玻璃的行为或其他方法，已经研究了表面移动层，但缺乏单粒子分辨率。因此，它与普通液体的不同之处以及局部性质如何随深度变化仍不清楚。 胶体是优秀的模型系统，因为可以通过光学显微镜观察和跟踪微米级粒子及其热运动。胶体已经为研究体积玻璃提供了重要的微观信息，例如，剪切诱导的体积玻璃熔化。玻璃表面的研究主要集中在固定的壁附近，而自由玻璃表面只有在重力下使用排斥性胶体颗粒，在固定温度下进行蒸发沉积时才被实验性地探索过。在单粒子水平上尚未探索通过热引起的体积或表面熔化，因为这需要具有可调制吸引力的胶体。通过热敏脱水剂、Casimir效应、DNA和电场等方法，已经获得了具有可调制吸引力的胶体。 在此，研究者使用具有可调制染料诱导的长程吸引力的胶体，在0到1玻尔兹曼常数（kBT）之间可调，测量不同有效温度下的微观动力学。在单层和多层样品中，在慢速和快速温度变化下比较了通过减弱颗粒吸引力驱动的表面预熔和熔化现象。结构和动力学参数在不同深度饱和，定义了表面液层和中间玻璃层。两层的幂律增长以及在不同加热速率下的熔化前沿行为类似于晶体的预熔和熔化，表明预熔和熔化可以推广到非晶固体。测量的单粒子动力学揭示了各种特征，并确认了玻璃表面层的理论预测。（文：水生）
图１ PMMA球体的配对电位。
图4 缓慢温度变化下垂直于单层玻璃表面的剖面图。
图5 τ(y)与ρc-ρ(y)的关系，用公式6拟合。
图6 快速温度变化下的表面预熔化。
图7 GB快速温度变化下的表面熔化。
图8 快速温度变化下单层玻璃表面的CRRs。
图9 单层样品的CRR特性。 |
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