固—固相變是指在外界條件改變時，一種固態物質在兩種晶體結構之間發生相變。固—固相變的動力學路徑復雜，對最終產物和相變速率均有影響，是材料學、金屬學和統計物理等領域的重點。
此前研究常以球形粒子為模型體系，揭示了豐富的固—固相變動力學行為以及多種可能影響動力學路徑的因素。然而，由于其單體的旋轉不變性，只能研究平動自由度導致的晶格變化；實際材料體系往往由各向異性的粒子組成，在相變過程中平動自由度與轉動自由度相互耦合。這種耦合效應對結晶、玻璃化等過程的動力學具有顯著影響，從而可預期其對固—固相變的動力學路徑同樣重要，但未有理論研究關注。因此，選取恰當的理論模型體系來研究固—固相變中平動—轉動耦合的動力學機制對實際應用具有指導意義。
近日，中國科學院理論物理研究所科研團隊發現，球棍多邊形模型展示出豐富的相行為，特別是球棍五邊形、六邊形和八邊形均呈現出從密堆相到旋轉晶體相的同構相變。該相變過程中平動僅為簡單膨脹，為理解轉動及其與平動的耦合對固—固相變動力學的影響提供了理想范本。
團隊剖析了球棍多邊形體系固—固相變的動力學路徑。分子動力學模擬發現取向場中不同的缺陷模式：在升溫導致相變的過程中，球棍五邊形取向場的缺陷形成模糊的條帶與若干散點；球棍六邊形取向場的缺陷呈現隨機分布狀態；球棍八邊形取向場的缺陷形成鮮明條帶。為厘清背后的機制，團隊通過固定質心模擬，研究了相變過程中的動力學路徑。固定質心模擬顯示，在給定體積和質心位置固定的條件下，體系的轉動序參量在體系達到平衡態時的取值，通過與實際動力學軌跡中該序參量的取值比較，可找出動力學過程中具有主導作用的運動模式。球棍五邊形的動力學路徑由轉動主導，球棍六邊形的動力學路徑由平動擴張主導，球棍八邊形平動與轉動同步。
團隊進一步探討逆向降溫過程發現，五邊形和八邊形的末態產物既可以是密堆態（基態），又可以是多晶態，而六邊形總可以回到密堆態。晶體態的定量分析表明：在從基態升溫的過程中，單體對鄰居粒子的轉動約束越強，粒子越傾向于優先發生平動來弱化這種約束；在從旋轉晶體相降溫的過程中，更強的轉動效應利于粒子預先與鄰居粒子對齊取向。在升溫過程中，五邊形在基態構型中對鄰居粒子取向約束最弱，傾向于先轉動，六邊形對鄰居粒子取向約束最強，需要先發生平動，八邊形介于二者之間；在從旋轉晶體相降溫的過程中，六邊形對周圍粒有適度約束，可在收縮前調整取向，五邊形和八邊形對周圍粒子取向幾乎沒有約束，無法預先調節取向，可能被困在多晶態。
團隊在前人關于晶格結構轉變研究成果的基礎上，聚焦各向異性粒子體系中廣泛存在的平動—轉動耦合對固—固相變動力學的影響。二維球棍多邊形的模擬結果顯示，不同運動模式主導的路徑，特別是偏離準平衡假設的路徑，強調了考慮平動—轉動的動力學耦合的必要性。
上述研究發展了固—固相變動力學的理論框架，有望在具有類似幾何形狀的單體以及有修飾位點的膠體球等形成的二維晶體中得到驗證，并為相變分子器件設計提供理論指導。
相關研究成果發表在《先進科學》（Advanced Science）上。研究工作得到國家自然科學基金的支持。
論文鏈接
形狀決定的固—固相變動力學路徑
本文鏈接：研究發現固—固相變動力學中的平動—轉動耦合效應http://www.sq15.cn/show-12-2146-0.html
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