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用x射线探测液体聚合物中的玻璃转变动力学

用x射线探测液体聚合物中的玻璃转变动力学 当液体接近玻璃状状态时,x射线光谱学技术能够揭示这种神秘现象。 在冷却过程中,许多液体在冰点处发生急剧变化,突然变成结晶性固体。最著名的例子是水,冰点为0摄氏度。 相比之下,许多液体聚合物和其他材料会经历一种更优雅的转变,即玻璃化转变。它们形成的固体的结构比结晶固体(如冰和金属)的结构更接近于液体的随机顺序。玻璃就是一个经典的例子:它在室温下是固体,但它的分子排列却是无序的。 关于玻璃化转变,还有许多悬而未决的问题。“玻璃跃迁现象是软物质物理学中最大的谜团之一,”日本物理研究所春8中心的星野泰基(Taiki Hoshino)说。“一些科学家甚至质疑玻璃化转变是否真的是一种转变,或者它只是看起来像一种转变。” 一个可能有助于解开玻璃化转变之谜的关键是动态非均匀性的概念——分子的局部动态行为在空间和时间上的波动。“许多研究人员相信,玻璃化转变可以用动态异质性来解释,”星野说。 现在,星野和RIKEN SPring-8中心的三位同事已经使用同步加速器产生的x射线来测量玻璃转变温度附近的液体聚合物的动态非均匀性。 在测量过程中,聚合物被挤压在固定的圆柱形杆和移动的基板之间。靠近底物的液体比靠近棒的液体移动得快,导致液体的速度梯度。研究小组发现,随着速度梯度的增加,动态非均匀性降低。这证实了20多年前发表的分子动力学模拟的预测。 研究人员使用了一种叫做x光光子相关光谱(XPCS)的技术。由于构成激光束的光波的波峰和波谷都是同步的,从一个物体散射出来的激光会在屏幕上产生斑纹图案。XPCS使用x射线产生的散斑图来获取关于样本的信息。“如果散射体在样品中移动,散射模式就会改变,”星野解释说。这些波动揭示了散射体运动的信息。 星野指出,XPCS在软物质物理学家中并不像其他技术那样受欢迎,但他希望这项研究能让其他人相信XPCS的潜力。“我们的研究结果表明,XPCS是研究玻璃转变的一种强大技术,”他说。
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