义上来说， 研究非晶固体和液体是迈向更复杂和广阔
生物世界的起步，将推动对复杂系统的深入认识。
对于非晶这样的复杂体系中的重要问题、悖论、
挑战，实际上不可能单独、孤立地考虑、研究，因为这
些问题有紧密的联系，必须对整个非晶系统进行研究，
即使这样研究很粗糙也是必要的。比如液体与非晶本
质的研究已证明是密不可分[499]。因为不对复杂系统
各部分做紧密联系的研究，就不可能对非晶整体有正
确的思想和理解。所以不同非晶体系交叉、融合研究，
不同学科的参与，对建立完整的非晶体系理论非常重
要。
液体与非晶本质是非晶物理探索和研究的难点和
热点，是非晶体系基本理论框架建立的主要依据和对
象。非晶态物质的结构不同于气体，气体的组成粒子
间不存相互作用，无须考虑粒子大小和结构；也不同
于存在强相互作用的晶体，晶体中每个组成粒子方位
都能明确（位于一个点阵中）。在非晶中，有着强相互
作用粒子位置很难明确，其微观结构的基本特征是多
样性、不确定性和空间上的无序复杂性共存，此外，非
晶结构还随时间演化。目前还没有完备、有效的描述
无序结构的理论、方法和实验仪器。确立非晶微观结
构时空演化基本特征是认识非晶本质，建立非晶动力
学和热力学行为理论的重要依据和基础。但是，目前
对非晶和液体结构的研究始终没有突破传统晶体材料
研究结构的概念、思路和方法，没有能够提出新的描
述结构特征的概念和方法（如从粒子相互作用的角度
来描述非晶结构）。现有结构模型仍存在如下严重缺
陷：(1) 非晶中的组成粒子，物理上无法等同于简单球
体；(2) 钢球模型严重阻碍了对非晶中组成粒子基本运
动的认识，因为该模型中只能存在振动模式；(3) 没有
考虑动力学、时间效应和时空关联性；(4) 目前的结构
模型始终无法对非晶基本热力学参量（比热和熵）和
动力学行为给予定量描述。现有非晶结构模型没能提
供深入认识非晶本质的有力支持。所以，非晶结构时
空关联性研究是今后非晶物理的重点之一。
非晶动力学研究热点大致分为两类。其一是非晶
形成液体粘度随温度变化规律和机理的研究，被视为
动力学的主要特征和动力学机理研究关键点之一。目
前面临的最为主要困难和困惑是非晶中不存在类似
气体和固态晶体的理想模型。现有理论模型几乎都
是唯像，且纷繁杂乱，无法统一，甚至相互矛盾。实
验上，恰恰相反，大量研究结果已表明动力学基本行
为具有普适性[16]，如何从复杂的非晶体系动力学行为
进一步发掘其普遍规律的物理内涵，并与结构和热力
学行为联系起来是今后一段时间研究的一个热点和重
点[500]。
非晶热力学特性是有效描述非晶材料物理特性的
重要基础,但非平衡非晶体系的热力学理论建立和完善
仍存在巨大困难。如非晶固体比热在10 K 左右存在
比热反常峰[501]，经典固体振动模型无法解释这种现
象； 过冷液体的比热非常复杂[502]，目前还没有普遍
接受的比热模型[503]； 由于过冷液体的比热总是高于
晶体的比热，由此，将得出液体的熵在某一温度以下
将低于晶体的推论，形成理论上的熵危机[95]。不完善
的非晶热力学理论致使非晶材料科学仍处于经验累积
阶段，对非晶材料探索无法提供有效的理论指导。非
晶热力学与其结构和动力学密切相关，但其关系很不
清楚。非晶热力学理论的建立将有效促进结构特征和
动力学行为本质的理解，对非晶和液体比热、熵等的
研究或许是认识非晶本质的突破口之一，是非晶物理
研究的一个重要方向。
作为一个基本的物理问题，一种类似临界现象的
复杂物理过程，失稳研究是今后非晶物理研究的重点
之一,因为非晶体系的稳定性是其应用的基础[504]。材
料的失稳研究重点主要涉及的是非晶在应力场中的断
裂或破坏行为。广义上说来，非晶态体系失稳是自然
界中一个普遍存在，如地震、山崩和泥石流等自然灾
害，以及塌方、颗粒物质阻塞等。块体非晶合金的出
现，为无序态物质提供了研究失稳机理的理想模型体
系。非晶合金失稳研究近年来有了新的发展和突破。
从剪切带到微观裂纹的形成直至宏裂纹扩展的研究获
得了极其丰硕的科研成果，有望在此基础上建立一个
统一非晶体系失稳机制。不同类型非晶体系的失稳对
比研究将进一步深化非晶态体系失稳基本规律和特征
的认识。非晶失稳机制研究的突破不仅有助于指导新
型强韧非晶材料的设计[505]，也有助于对常见自然灾
害认知和防御[506]。
近二十年来，均匀微米大小的胶体粒子为研究非
晶中基本问题提供了一个良好的实验平台。通过光学
显微镜可以直接观察胶体粒子组成的非晶体的表面和
内部，研究非晶形成、玻璃转变、弛豫和输运、长大和
形变在最初小尺度上的成核过程，并用图像处理得到
单个粒子的运动轨迹，可为复杂的非晶研究提供了丰
富的微观信息（见图268）[507]。
已有的非晶态物理研究已为进一步探索研究非晶
态体系、为最终建立基本理论框架积累了大量丰富经
验和基础。今后要发展的非晶态体系基本理论框架包
括：明确非晶体系的微观结构特征，实现时间作为
No comments:
Post a Comment