近日，比利时布鲁塞尔自由大学Simone Napolitano教授团队在非平衡态高分子液体动力学机制方面取得重要进展。该研究成果以“Fast equilibration mechanisms in disordered materials mediated by slow liquid dynamics”为题发表在Science Advances上。布鲁塞尔自由大学博士生宋子健和博士后Cristian Rodríguez-Tinoco 为论文共同第一作者，Simone Napolitano教授为论文通讯作者。该团队提出了一种新型高分子运动形式，并命名为SAP（Arrhenius慢弛豫过程）。
  自然界中非平衡系统自由能速率的降低通常归因于分子弛豫过程，这是由微观尺度上的自发重排引起的。虽然液体的平衡通常需要在冷却的过程中迅速产生时间尺度上的密度波动差异，但越来越多的实验证据表明存在另外一种较弱温度依赖性的平衡途径。这种平衡过程系统的活化能呈现出不随温度变化，大约为100 kJ/mol。该工作中，他们发现了具有Arrhenius慢驰豫型（SAP）平衡机制的潜在分子过程，该过程在薄膜的液体动力学中普遍可以观察到。他们发现的SAP与高温流动密切相关，它可以有效将熔融体和玻璃态推向更稳定，能量更低的状态。研究结果表明：液体动力学的测量可用于预测玻璃态的平衡速率。

  当一个系统的性能不随时间变化时，我们通常认为该系统处于平衡状态。然而，经验告诉我们，这种情况在自然界中很少极其罕见。无论从花蕾到花朵再到果实的转变，还是行星表面板块的重新排列，甚至人的一生中整个身体都只是众多远离平衡态的系统中的一小部分。随着时间的推移，这些系统努力去追寻平衡，这意味着他们重新排列并适应环境以达到能量最低的状态。

  近一个世纪以来，我们了解到的宏观现象的平衡（比如在牵引时伸长的弹性绳索，或者从冰箱中取出冰块随即融化）需要分子的微观运动。通过提高温度，加快分子运动，可以短时间内使系统更容易达到平衡态。这一基本原理反映了物理学之美，并具有很深远的意义。

  无论分子移动的速率有多快，它们的距离有多小，通过施加较小的作用力后，观察材料对其作用力的反映，我们都可以跟踪系统的平衡过程，从而了解分子的运动轨迹。得益于这些实验方法，我们有机会观察到需要合作的液体分子在它们位置周围的移动。分子运动只有在某种协同作用下才能实现。温度越低，液体越粘稠，就需要更多的分子协调从而达到平衡。

        这类似于我们开车时发生的事情。想象在空旷的道路上（高温），我们可以随心所欲的开车；但是在交通拥挤期间（低温），我们会堵车，直到周围的车辆一起缓慢移动才会得以解决。几十年来，人们只考虑结构移动的这种运动来描述液体动力学。

  该工作回答了尚未解决的液体动力学的相关问题。其他国家的团队已经报道过该液体平衡方式但均未给出合理解释。Simone Napolitano 教授团队验证了不同类型高材料均选择SAP来降低其内能。重要的是，系统在任何温度下都遵循SAP平衡规律。虽然高分子在冷却过程中结构弛豫较慢，但在低温时，当液体变得粘稠几乎像固体一样时，新机制会超越旧机制，也就是SAP会超越结构弛豫。踏实和稳重是赢得比赛的关键！由于其独特的特性，在结构过程需要无限长的情况下，SAP可以在合理的时间内（几天，几个月）简化材料的平衡。

  SAP过程类似于骑自行车的外卖骑手：在正常情况下他们可能比汽车慢，但是在交通拥挤时，他们可以很快的为大家送上热饭热菜。

  了解该SAP过程具有重要的意义。在新型材料的设计及加工过程中，可以通过在保持结构不变的同时来实现性能的调控，就像SAP过程。此外，由于大多数原材料和加工过的无定形材料都是在低温下储存的，因此这些系统的储存时间会受到该团队发现的新平衡机制的显著影响。 

  论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7154

课题组简介：

  Simone Napolitano, 比利时法语布鲁塞尔自由大学理学院教授，软物质与热物理研究团队负责人，高分子与软物质动力学实验室主任，国际介电学委员会委员。研究方向为纳米限域高分子结构与动力学，不可逆吸附理论，非平衡态物理等；在Science, Science Advance, Nature Communications, Physical Review Letters, ACS Central Science, Macromolecules, ACS Central Science等期刊发表论文70余篇，h指数35，曾荣获国际介电学“德拜奖”。实验室网址：https://dynamics.ulb.be联系方式：simone.napolitano@ulb.be