无序体系理论进展：非晶态物质动力学耗散的统一机理 | NSR

非晶态物质科学研究的核心挑战在于建立无序结构与性能之间的联系。研究表明，无序体系的动力学行为可能成为连接结构与性能的关键桥梁。在非晶态科学领域，动力学行为通常被统称为“弛豫”，这一术语描述了系统在受到扰动后恢复平衡态的过程，同时也涵盖了系统内部的自发涨落运动。美国亚利桑那州立大学的Angell教授曾强调，若不考虑弛豫过程，玻璃理论的研究将是不完整的。汪卫华院士也指出，类似于晶态材料的“结构-性能关联”，弛豫过程的研究可以用来设计新型非晶材料，使其具备多种功能特性以及优异的物理化学和力学性能。

非晶物质的弛豫过程多样，既具有普遍性，又与具体材料的种类、成分和制备工艺紧密相关。例如，在金属玻璃等简单模型中已发现了9种特征弛豫过程，而在高分子、氧化物玻璃、非晶态MOF等其他物质中，弛豫过程更为丰富。

针对不同非晶态物质及其弛豫动力学过程，是否存在一个统一的机理？建立动力学的统一物理图像是构建非晶系统理论和科学范式的关键一步。面对复杂的材料体系和多时间尺度的弛豫行为，这一理论必须超越具体材料结构或基元运动的描述，而是基于对无序本质的抽象理解。

最近，华中科技大学的于海滨教授与德国哥廷根大学的Konrad Samwer教授在《国家科学评论》上发表的理论研究，为实现统一理论提供了可能。他们提出了一个新的序参量——“构型最小距离（IS D_min）”，这一概念能定量地描述不同材料和弛豫过程。通过对7种不同非晶材料体系（包括金属、氧化物和理论模型）的弛豫动力学进行跨越5个时间数量级的模拟计算，他们发现无序材料的弛豫耗散（通过内耗δ表征）与IS D_min之间存在简洁的幂指数标度关系 （图1）：

δ∝ (IS D_min)^b

其中，指数b≥2与具体材料的性质相关。进一步的理论分析表明，这一公式的物理基础在于材料多体相互作用势对简谐作用（b = 2）的偏离。

图1， 非晶态物质弛豫耗散统一标度关系.

在构建的IS D_min序参量过程中，研究者引入了模式匹配和最优化分配的观点。与传统的原子运动表征方法不同，序参量IS D_min将系统视为一个整体，并认为原子具有交换对称性。换言之，即使发生原子替位运动，系统构型仍被视为不变。

如图2所示，研究者对位移概念进行了扩展：

常规定义： 

扩展定义： 

其中X是单位矩阵的简单行变换，目的使得  最小，通过计算科学的“匈牙利算法”能够求出协变矩阵X进而求出IS D_min。

图2. 以一维模型阐述序参量IS D_min定义

序参量IS D_min在特殊情况下能够转化成为已知的统计力学参量。例如，在一阶近似情况下IS D_min化简为均方根位移(RMSD)；在粗粒化近似下变化IS D_min化简成为Parisi (2021年后诺贝尔物理奖获得者)提出的重叠函数(overlap function)。

该研究为理解和预测非晶态物质的动力学行为提供了一个新的视角和理论工具。通过引入“构型最小距离”这一序参量，研究者能够跨越不同材料和时间尺度，揭示非晶态物质弛豫耗散的统一机制。这一理论的建立不仅推动了非晶态科学的发展，也为设计和开发具有特定功能特性的新型非晶材料提供了理论基础，具有广泛的科学意义。

这项成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），华中科技大学于海滨教授为论文第一作者和共同通讯作者，德国哥廷根大学Konrad Samwer教授为论文的另一位共同通讯作者。