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浙江理工大學(xué)左彪教授與普林斯頓大學(xué)Priestley教授 Appl. Phys. Rev. 綜述: 玻璃表面動(dòng)力學(xué)
2022-03-09  來源:高分子科技

  浙江理工大學(xué)化學(xué)系,浙江省高分子表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室左彪教授與普林斯頓大學(xué)Priestley教授合作在國際物理領(lǐng)域知名期刊《應(yīng)用物理評論》(Applied Physics Reviews)發(fā)表了題為“Surface Dynamics of Glasses”的綜述文章,對近三十年來玻璃材料表面分子動(dòng)力學(xué)研究成果進(jìn)行了總結(jié)和展望。該論文被甑選為APR亮點(diǎn)論文(Featured / Editor''s picks),并被美國物理學(xué)聯(lián)合會《科學(xué)之光》(AIP Scilight)期刊以Clarifying the surface dynamics of glass為題進(jìn)行了專訪報(bào)道。



  玻璃材料是由過冷液體降溫至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以下形成的非晶材料。玻璃材料的發(fā)展推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步;大到航空航天,小到日常用品和納米芯片,玻璃材料已經(jīng)滲透到人類社會的各個(gè)方面。表面作為與外界環(huán)境直接接觸的媒介,對玻璃材料的摩擦、粘結(jié)、潤濕、吸附等性能起著重要作用。特別是納米器件性能和穩(wěn)定性更是與表面分子或原子的性質(zhì)直接相關(guān)。揭示玻璃表面分子動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律,闡明其分子機(jī)制對于固體材料器件性能的調(diào)控與改善具有重要理論及現(xiàn)實(shí)意義。


  玻璃具有晶體相似密度,同時(shí)保留了類液體的無序結(jié)構(gòu),是一類典型的擁擠體系。玻璃內(nèi)部的離子、原子、分子或鏈段受限于相鄰組分形成的籠子中,處于動(dòng)力學(xué)凍結(jié)狀態(tài)。只有當(dāng)溫度升高Tg以上,這種籠蔽作用被打破,分子運(yùn)動(dòng)被活化,從而進(jìn)行較大尺度的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。然而,對于表面附近的原子或分子,由于空氣一側(cè)分子間作用力缺失,分子或原子從籠子中釋放出來的能壘降低,使得表面分子具備更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力,造成玻璃表面分子Tg降低,擴(kuò)散加快,流動(dòng)性及塑性增強(qiáng),在固體玻璃表面形成一層運(yùn)動(dòng)能力顯著強(qiáng)于本體的表面活性層。自1990年以來,玻璃表面獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)行為受到了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)界的關(guān)注,逐漸形成了表面活性層(surface mobile layer科學(xué)概念。這一概念的基本科學(xué)內(nèi)涵在于動(dòng)力學(xué)受阻、硬而脆的玻璃材料表面區(qū)域并非處于玻璃態(tài),而是存在一層納米厚度弛豫顯著加快的柔軟表面層。作為近三十年來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展之一,表面活性層概念的提出和確立不僅改變了我們對玻璃性質(zhì)的認(rèn)知,也革新了玻璃材料的加工成型方式,拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。通過對表面層活性的精確調(diào)控可以有效改善器件穩(wěn)定性、表面摩擦、低溫粘結(jié)及自愈合等性能。


  基于上述背景,該綜述聚焦于玻璃表面分子動(dòng)力學(xué)的研究與進(jìn)展,從表面活性層概念的發(fā)展歷史、表面分子動(dòng)力學(xué)的表征方法、表面動(dòng)力學(xué)基本特征及理論模型等方面進(jìn)行了系統(tǒng)介紹,闡述了表面活性層新興概念在材料及加工領(lǐng)域的巨大應(yīng)用價(jià)值,并對玻璃表面動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)和展望。


  浙江理工大學(xué)博士后田厚寬、博士生徐全印張海洋為文章共同第一作者;浙江理工大學(xué)為第一完成單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金和面上項(xiàng)目支持,在此表示感謝。

 

  論文信息:

  Houkuan Tian, Quanyin Xu, Haiyang Zhang, Rodney D. Priestley* and Biao Zuo*. Surface dynamics of glasses. Appl. Phys. Rev. 2022, 9, 011316.

  DOI: 10.1063/5.0083726

  論文鏈接:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0083726

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