二维体系熔化形态

材料牛注：密歇根大学Sharon Glotzer领导的研究团队探索了二维体系中颗粒形状是如何影响固-液熔融过渡物理学的。研究表明，颗粒的形状和对称性均显著影响熔化过程，其中六边形系统完全遵循众所周知的2-D熔融理论。该发现将有助于指导研究人员在能源应用中寻找具有理想性能的纳米颗粒。

虽然熔化是日常生活中的常见现象，且在许多工业和商业过程中发挥着重要作用，但是熔化过程中相变转化的基本原理仍有待研究。

2015年，由密歇根大学Sharon Glotzer领导的团队在能源部（DOE）Oak Ridge国家实验室中使用高性能计算来研究二维（2-D）系统中的熔化，从而了解到材料表面的相互作用（材料对技术来说很重要，如太阳能电池板）以及三维熔化的机理。该团队探索了二维体系中颗粒形状是如何影响固-液熔融过渡物理学的。

该团队的研究表明，颗粒的形状和对称性均显著影响熔化过程。 这一根本性发现将有助于指导研究人员在能源应用中寻找具有理想性能的纳米颗粒。

密歇根大学研究科学家Joshua Anderson说：“在我们模拟的二维环境中，我们发现熔融转变遵循三种不同情况中的某一种，而具体遵循何种情况取决于系统多边形的形状。值得注意的是，我们发现由六边形系统完全遵循众所周知的2-D熔融理论，这一点迄今为止尚未提及。”

在诸如细化冰柱的3-D系统中，熔融呈现一阶相变的形式。这意味着在这些系统内分子团以固体或液体形式存在，在潜热（促进固液相变的能量）存在的情况下不存在中间相。在二维系统中，如在电池和其它技术中使用的薄膜材料中，熔化可能会更复杂，有时会出现六方相这种中间相。

20世纪70年代，研究人员John Kosterlitz，David Thouless，Burt Halperin，David Nelson和Peter Young率先研究了六方相，其状态处于有序固体和无序液体之间。这种状态是KTHNY理论的一个主要特点。KTHNY理论是由研究人员定义的二维熔化理论，并根据姓氏的第一个字母命名。

在分子水平上，原子的排列决定着固相，六方相和液相系统。晶体中原子排列有平移和定向两种类型。平移排列的原子间距一定，就像精心构造的Jenga塔中的砖块一样。定向排列中原子和原子组间距上的一致关系和聚类顺序。可以想象Jenga塔在几轮游戏后变得倾斜。虽然塔的大致形状保持不变，但其排列顺序已经改变。

六方相不具有平移顺序，但具有定向顺序。（液相既不具有平移顺序也不具有定向顺序，但是短程有序，这就意味着任何原子都具有平均原子数，但排列顺序不可预测。）

要确定是否存在六方相，需要使用能够计算大量硬粒子系统的高级计算机Titan。研究模拟展示了不同多边形的熔化情况。具有七边及七边以上的多边形系统更严格地遵循硬盘或圆的熔融特性，即从固相到六方相是连续相变，从六方相到液相为一阶相变。连续相变就是说体积随着外部压力的变化而连续变化。一阶相变则不同，当外部压力变化时，体积的变化不连续，呈突变性。该团队发现五边形及其中两边长度不等的不规则五边形呈现出一阶固相到液相的相变。

然而，最重要的发现来自六边形系统，其完全遵循KTHNY理论所描述的相变。在这种情况下，粒子从固相转变为六方相，再从六方相转变为液相，这是完美的连续相变模式。安德森说：“到目前为止还无人发现这个问题，真是令人惊讶。因为具有六条边的六边形和蜂窝状六边形的排列似乎完全符合这个理论。”该理论中六方相通常包含六重取向顺序。

Glotzer的团队目前正在应用其领导级计算能力来解决3-D相变问题。该团队专注于研究流体颗粒如何结晶成复杂胶体——颗粒悬浮在另一种物质中形成的混合物。常见的胶体有牛奶、纸、雾、彩色玻璃等。安德森说：“我们正计划使用Titan来研究简单的相互作用如何产生复杂性，同时观察晶体如何生长，并研究其中的动力学。”

原文链接：The Shape of Melting in Two Dimensions.

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，王冰编译，点我加入材料人编辑部。

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