哈工大航天學(xué)院呂海寶教授破解玻璃态物質本質難題

哈工大全媒體（商豔凱/文）近日，我校航天學(xué)院呂海寶教授在玻璃态物質本質及其玻璃化轉變研究領域取得進(jìn)展，相關研究成(chéng)果以《分子物理與凝聚态物理的定律統一性》（When physics meets chemistry at the dynamic glass transition ）爲題，發(fā)表在《物理學(xué)進(jìn)展報告》（Reports on Progress in Physics）上。該研究爲破解“物理定律能(néng)否統一”和“玻璃态物質本質是什麼(me)”兩(liǎng)個世界科學(xué)難題提供了部分基礎和尺度力學(xué)方法。《物理學(xué)進(jìn)展報告》責任主編評價該成(chéng)果時(shí)說：“論文關于物理定律統一性的研究工作，與電磁定律、萬有引力定律的研究意義類似。”

“物理定律能(néng)否統一”是2005年《科學(xué)》雜志發(fā)布的全世界最前沿125個科學(xué)問題之一，而“玻璃态物質本質”被(bèi)認爲是凝聚态物理學(xué)最具挑戰的基礎科學(xué)問題。

玻璃态是介于結晶态和無定形态之間的一種(zhǒng)物質狀态，有人把玻璃态形象地稱爲“短程有序，遠程無序”，即從小範圍看，它有一定的晶型排列，從整體看，卻像無定形物質那樣(yàng)無晶形的排列規律。玻璃态物質沒(méi)有固定的熔點，而是在某一溫度範圍内逐漸軟化。常見的玻璃态物質包括絕大多數玻璃、塑料橡膠等。

經(jīng)典的相變問題，通常隻需要建立其熱力學(xué)平衡方程，而玻璃化轉變較爲複雜，不僅需要建立熱力學(xué)平衡方程，還(hái)包括動力學(xué)平衡方程以及時(shí)空關聯方程。呂海寶教授在研究中發(fā)現了玻璃化轉變源于分子尺度與凝聚态尺度的跨尺度效應（标度律），建立了熱力學(xué)非平衡态的自由能(néng)序參量平衡方程、“有序-無序”熱力學(xué)模型及其随機運動概率統計方程，計算獲得約19.5個單體組成(chéng)的分子鏈段，其熱力學(xué)運動達到臨界平衡态；提出了分子糾纏（即協同效應），建立了重整化群論方程，計算獲得了玻璃化轉變的分子糾纏個數是e+1≈3.718，破解了分子與凝聚态臨界躍遷的熵增原理，發(fā)現動态玻璃化轉變時(shí)分子個數約爲72個。

進(jìn)而，基于愛因斯坦質能(néng)方程，呂海寶教授建立了能(néng)量和體積二元函數的時(shí)空關聯方程，發(fā)現了分子尺度運動與凝聚态尺度運動的跨尺度效應，破解了“空穴體積假說”，建立了凝聚态尺度常數方程，通過(guò)分形叠代方程計算獲得凝聚态尺度常數約爲1.501×10^-11 J·mol^-1·K^-1。

基于上述研究工作，呂海寶教授提出了分子物理（化學(xué)）與凝聚态物理的物理定律統一性，讨論劃分了分子、凝聚态和宏觀三尺度的平行物理世界，破解了“物理定律能(néng)否統一”證明中最令人困惑不解的分子物理（化學(xué)）定律統一性，填補了凝聚态物理世界的凝聚态常數空白。

哈工大爲論文唯一通訊單位，呂海寶教授爲論文唯一作者。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項目的資助。

論文鏈接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/ad2b9c

玻璃化轉變源于分子鏈相分離與分子鏈段微相分離的尺度效應

物理化學(xué)統一性及其凝聚态尺度常數