该团队的新算法能够模拟玻璃化转变下过冷液体的分子结构。这些构型的性质有助于解决一个关于玻璃熵的70年悖论。资料来源:蒙彼利埃大学的Misaki Ozawa和Andrea Ninarello。
如果你能戴上一副泳镜，把自己缩得像魔法校车里的人物一样，在液体中纵身一跳，你会看到一群分子在狂欢，就像1999年一样。
所有这些疯狂的摆动使得分子很容易重新排列，也使得液体整体改变形状。但是对于像蜂蜜这样的过冷液体，在冰点以下冷却而不结晶的液体，如
2，低温会减缓舞蹈的速度，就像埃塔·詹姆斯的《最后》。“温度降低到一定程度，速度就会显著放缓，以至于分子需要数百年甚至数千年才能重新排列，液体才会流动。”
科学家不能研究比他们的职业生涯更长久的过程。但杜克大学化学家和他们的西蒙斯基金会合作者发现了一种欺骗时间的方法，他们模拟了深度过冷液体的慢舞。在此过程中，他们发现了“老化”过冷液体和玻璃的新物理特性。
资料来源:鲁本亚历山大通过Flickr。
要了解深度过冷液体移动的速度有多慢，可以考虑世界上运行时间最长的实验——昆士兰大学(University of Queensland)的螺距下降实验。每8到13年就会有一滴沥青滴形成
2，这种沥青的移动速度比深度过冷的液体要快。
杜克大学(Duke)化学和物理副教授帕特里克·夏博诺(Patrick Charbonneau)说:“从实验上看，你能观察到的东西是有限度的，因为即使你在整个职业生涯中都能观察到，最多也只能观察50年。”“对很多人来说，这被认为是一个坚硬的玻璃天花板，超过了这个天花板，你就无法研究过冷液体的行为。”
数值模拟专家Charbonneau说，使用计算机模拟过冷液体的行为有更大的时间限制。他估计，考虑到目前计算机的发展速度，要使计算机强大到足以使模拟能力超过实验能力，还需要50到100年的时间，即使这样，模拟也需要几个月的时间。
为了打破这个玻璃天花板，Charbonneau小组与Ludovic bertier和他的团队合作，他们正在开发一种算法来绕过这些时间限制。该算法无需花费数月或数年的时间来模拟过冷液体中的每个分子在分子重新排列之前是如何晃动的，而是选择单个分子相互交换位置，从而创造出新的分子构型。
这使得团队能够探索可能需要数千年才能自然形成的新结构。这些“深度过冷液体和超时效玻璃”液体的能量较低，比以往任何观察到的液体都更稳定。
“我们在欺骗时间，因为我们不必遵循系统的动态，”Charbonneau说。“我们能够模拟深度过冷的液体，这在实验中是不可能实现的，这为我们提供了很多可能性。”
一次只生长一层的玻璃与大块玻璃的结构有很大的不同。研究小组用他们的新算法研究了这些玻璃中的分子是如何重新排列的，并发现在低温(右)下，只有表面的分子是可移动的。研究结果可用于设计更好的药物输送或防护涂层玻璃。信贷:以利亚Flenner。
去年夏天，研究小组利用这项技术发现了低温玻璃中的一种新的相变。他们最近发表了另外两项研究，其中一项揭示了“考兹曼悖论”，这是一个关于玻璃化转变下过冷液体熵的70年问题。第二章探讨了气相沉积玻璃的形成，并对其在药物传递和防护涂层方面的应用进行了探讨。
夏博诺实验室的博士后Sho Yaida说:“自然界只有一种平衡的方法，那就是遵循分子动力学。但数值模拟的好处是，你可以调整算法来加速你的实验。”
“打破玻璃天花板的超冷液体的构型熵测量。“卢多维奇·贝尔蒂埃、帕特里克·夏博诺、丹尼尔·科斯洛维奇、安德里亚·尼纳雷洛、小泽一郎和Sho Yaida。PNAS, 2017年10月24日。DOI: 10.1073 / pnas.1706860114
“蒸汽沉积玻璃超稳定性的起源。“卢多维克·贝尔蒂埃、帕特里克·查博诺、伊利亚·弗兰纳和弗朗西斯科·赞波尼。PRL, 2017年11月1日。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.119.188002
作者:Kara Manke
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://researchblog.duke.edu/2017/11/02/cheating-time-to-watch-liquids-do-the-slow-dance/