赵璨, 孙广凯, 雷博程, 张丽丽, 孙昭艳, 朱有亮

高等学校化学学报 2024, 45 (12): 20240388-. DOI:10.7503/cjcu20240388

摘要（208）

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超软相互作用的粒子堆砌体系能够表现出微相分离、重入熔融和单结构相变等复杂的相行为. 近年来, 超软球体系的各种性质引起了研究人员的关注, 但对这类物质结晶行为的研究仍面临困难. 本文利用分子动力学模拟方法探索了超软球体系中聚集体的静态结构和扩散行为. 研究发现, 单分散性的超软球体系会形成簇晶, 具有分散性的超软球体系聚集态结构发生了显著转变; 多分散性会降低结晶性, 在高分散度下体系中形成簇玻璃结构. 通过观测多分散体系的扩散行为发现, 体系在低温下无长程扩散现象, 而在高温下出现明显的扩散现象.

为了进一步了解不同分散性体系簇晶结构的差异，本文研究了多分散超软球体系的具体形貌. 这些图像均通过利用OVITO软件中的a-CNA模块分析体系的晶体排列情况得出. 本次模拟实验共有11组平行样本，图5为其中一组样本的最终结果. 由图5可以看出，在分散性指数为0.01和0.03时，体系以FCC和HCP晶型为主导（图中显示的绿色粒子），对比图2中单分散体系的结晶结果发现，当引入的分散性指数较低时，多分散程度的变化对超软球体系的结晶结果影响不大. 当分散性指数增大至0.05时，体系的晶型由FCC和HCP晶型向BCC晶型（图中显示的蓝色粒子）转变. 由图5（E）和（F）可见，当分散性指数升至0.07和0.10时，体系最终呈无序玻璃态.

体系内部聚集体变化的统计结果如图7所示，图中横坐标为分散性指数，纵坐标为各种聚集体的比重，其中Cluster-n表示含有n个粒子的聚集体. 当分散性指数在0~0.05之间时，体系基本上是二聚体，结合图5结果发现，体系在分散性指数较低时（晶区），形成二聚的FCC晶体（FCC-2）或二聚的BCC晶体（BCC-2）. 当分散性指数升至0.05~0.10之间时，聚集体数量变化曲线中二聚体数量占比下降，四聚体的数量相应地增加. 在这种分散程度中，体系的有序度有所降低，结合体系在相应情况下内部的形貌图发现，体系在这些聚集体中依然以无序二聚体为主. 四聚体数量增多是由于在数密度不变的情况下，相对于晶体结构，簇玻璃中二聚体彼此之间接近的概率更高. 如果两个二聚体中的粒子彼此接近，且距离小于0.4，就会被程序判断为四聚体. 该体系中的四聚体实际上由2个二聚体组成，四聚体是由于热运动短暂出现的非稳态结构，本质上还是二聚体. 可见，当温度 T=0.02、数密度ρ=1时，在单分散超软球体系中引入不同的分散性并不会影响体系形成二聚体.