近日，比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)Simone Napolitano教授團(tuán)隊(duì)在非平衡態(tài)高分子液體動(dòng)力學(xué)機(jī)制方面取得重要進(jìn)展。該研究成果以“Fast equilibration mechanisms in disordered materials mediated by slow liquid dynamics”為題發(fā)表在Science Advances上。布魯塞爾自由大學(xué)博士生宋子健和博士后Cristian Rodríguez-Tinoco 為論文共同第一作者，Simone Napolitano教授為論文通訊作者。該團(tuán)隊(duì)提出了一種新型高分子運(yùn)動(dòng)形式，并命名為SAP（Arrhenius慢弛豫過(guò)程）。
當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的性能不隨時(shí)間變化時(shí)，我們通常認(rèn)為該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。然而，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這種情況在自然界中很少極其罕見。無(wú)論從花蕾到花朵再到果實(shí)的轉(zhuǎn)變，還是行星表面板塊的重新排列，甚至人的一生中整個(gè)身體都只是眾多遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)中的一小部分。隨著時(shí)間的推移，這些系統(tǒng)努力去追尋平衡，這意味著他們重新排列并適應(yīng)環(huán)境以達(dá)到能量最低的狀態(tài)。
近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我們了解到的宏觀現(xiàn)象的平衡（比如在牽引時(shí)伸長(zhǎng)的彈性繩索，或者從冰箱中取出冰塊隨即融化）需要分子的微觀運(yùn)動(dòng)。通過(guò)提高溫度，加快分子運(yùn)動(dòng)，可以短時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)更容易達(dá)到平衡態(tài)。這一基本原理反映了物理學(xué)之美，并具有很深遠(yuǎn)的意義。
這類似于我們開車時(shí)發(fā)生的事情。想象在空曠的道路上（高溫），我們可以隨心所欲的開車；但是在交通擁擠期間（低溫），我們會(huì)堵車，直到周圍的車輛一起緩慢移動(dòng)才會(huì)得以解決。幾十年來(lái)，人們只考慮結(jié)構(gòu)移動(dòng)的這種運(yùn)動(dòng)來(lái)描述液體動(dòng)力學(xué)。
該工作回答了尚未解決的液體動(dòng)力學(xué)的相關(guān)問(wèn)題。其他國(guó)家的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)報(bào)道過(guò)該液體平衡方式但均未給出合理解釋。Simone Napolitano 教授團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了不同類型高材料均選擇SAP來(lái)降低其內(nèi)能。重要的是，系統(tǒng)在任何溫度下都遵循SAP平衡規(guī)律。雖然高分子在冷卻過(guò)程中結(jié)構(gòu)弛豫較慢，但在低溫時(shí)，當(dāng)液體變得粘稠幾乎像固體一樣時(shí)，新機(jī)制會(huì)超越舊機(jī)制，也就是SAP會(huì)超越結(jié)構(gòu)弛豫。踏實(shí)和穩(wěn)重是贏得比賽的關(guān)鍵！由于其獨(dú)特的特性，在結(jié)構(gòu)過(guò)程需要無(wú)限長(zhǎng)的情況下，SAP可以在合理的時(shí)間內(nèi)（幾天，幾個(gè)月）簡(jiǎn)化材料的平衡。
SAP過(guò)程類似于騎自行車的外賣騎手：在正常情況下他們可能比汽車慢，但是在交通擁擠時(shí)，他們可以很快的為大家送上熱飯熱菜。
了解該SAP過(guò)程具有重要的意義。在新型材料的設(shè)計(jì)及加工過(guò)程中，可以通過(guò)在保持結(jié)構(gòu)不變的同時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的調(diào)控，就像SAP過(guò)程。此外，由于大多數(shù)原材料和加工過(guò)的無(wú)定形材料都是在低溫下儲(chǔ)存的，因此這些系統(tǒng)的儲(chǔ)存時(shí)間會(huì)受到該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的新平衡機(jī)制的顯著影響。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7154
課題組簡(jiǎn)介：
Simone Napolitano, 比利時(shí)法語(yǔ)布魯塞爾自由大學(xué)理學(xué)院教授，軟物質(zhì)與熱物理研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，高分子與軟物質(zhì)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任，國(guó)際介電學(xué)委員會(huì)委員。研究方向?yàn)榧{米限域高分子結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)，不可逆吸附理論，非平衡態(tài)物理等；在Science, Science Advance, Nature Communications, Physical Review Letters, ACS Central Science, Macromolecules, ACS Central Science等期刊發(fā)表論文70余篇，h指數(shù)35，曾榮獲國(guó)際介電學(xué)“德拜獎(jiǎng)”。實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)址：https://dynamics.ulb.be聯(lián)系方式：simone.napolitano@ulb.be
