无序体系理论进展：非晶态物质动力学耗散的统一机理

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非晶态材料在当今材料科学研究的多个领域中扮演着至关重要的角色，其普遍规律对众多学科产生了深远的影响。然而，非晶态材料的结构无序性和复杂的动力学特性为现代材料研究带来了前所未有的挑战。现有的固体物理研究范式，如“基态+元激发”，以及材料科学的“晶体结构+缺陷”模型，难以适用于非晶态材料的研究。

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。