Ученые раскрыли универсальный механизм старения стеклообразных материалов

В физике слово «стекло» имеет уникальное и особое значение — оно относится не только к прозрачному материалу, который мы ассоциируем с оконным стеклом. Вместо этого, оно обозначает любую систему, которая выглядит твердой, но не находится в истинном равновесии и продолжает изменяться крайне медленно с течением времени. Примерами являются оконное стекло, пластмассы, металлические стекла, спиновые стекла (то есть магнитные системы) и даже некоторые биологические и вычислительные системы.

Когда жидкость очень быстро охлаждается — процесс, называемый закалкой, — она не успевает сформировать кристалл, а застревает в неупорядоченном состоянии, далеком от равновесия. Ее свойства, такие как жесткость и структура, медленно изменяются в процессе, называемом «старением». Теперь исследовательская группа из Института теоретической физики Китайской академии наук предложила новую теоретическую модель для понимания универсального поведения стеклообразных материалов при старении.

Исследование выявляет фундаментальный механизм, определяющий, как стекла — от простых спиновых систем до сложных сетчатых стекол, таких как аморфный диоксид кремния — медленно эволюционируют с течением времени.

Для понимания процесса старения исследователи разработали обобщенную модель ловушки (GTM), основанную на энергетическом ландшафте материала: многомерной карте всех возможных конфигураций и энергетических барьеров, разделяющих их. Согласно GTM, старение обусловлено активированным перескоком через эти энергетические барьеры. Универсальное распределение высот барьеров, включающее важные поправки конечного размера, управляет медленной, неравновесной динамикой системы.

Теория предсказывает, что в процессе неравновесного старения система претерпевает «слабое нарушение эргодичности» при температуре выше обычной температуры стеклования. В статистической физике термин «эргодический» относится к системе, которая исследует все возможные конфигурации, соответствующие её энергии. В противоположность этому, термин «нарушение эргодичности» относится к равновесной системе, которая оказывается в ловушке подмножества возможных состояний, неспособная исследовать все конфигурации. Слабое нарушение эргодичности происходит в неравновесных системах и описывает систему, которая продолжает эволюционировать, но остаётся коррелированной со своей исходной конфигурацией даже после длительного старения.

Применив модель GTM к четырем различным моделям, включая модель случайной энергии (спиновое стекло), модель Уикса-Чандлера-Андерсена (простое атомное стекло) и аморфный диоксид кремния (сетчатое стекло), исследователи продемонстрировали, что поведение стекла при старении подчиняется универсальным математическим законам. Ключевым открытием является то, что логарифмическое затухание двухвременной корреляционной функции, характерный признак старения, напрямую связано с конечным размером «кластеров активации», или групп частиц, которые перестраиваются вместе в процессе старения.

В модели Уикса-Чандлера-Андерсена это открытие позволило исследователям извлечь статический масштаб длины из неравновесной динамики, расширив диапазон наблюдаемого роста от простого двукратного-трехкратного увеличения до целого порядка величины. Это дает убедительные доказательства в пользу теории случайного перехода первого порядка (RFOT), ведущей теории стеклования.

Данная работа представляет собой единую фазовую диаграмму, описывающую как эргодические, так и слабо неэргодические фазы в спиновых и структурных стеклах, предлагая мощный инструмент для понимания этих повсеместно распространенных, но сложных материалов. Эти результаты имеют значение не только для материаловедения, но и для других сложных систем, таких как динамика белков и даже обучение алгоритмов глубокого обучения, где наблюдаются аналогичные медленные процессы релаксации.

Читайте также: