NSR | 从结构到键合：玻璃弛豫行为背后的物理图景

“两种原子排布几乎一样的材料，表现也应该差不多。”这一看似合理的直觉，在玻璃材料中却常常“失灵”。来自华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心于海滨教授团队，联合丹麦洛斯基尔德大学（Roskilde University）的Jeppe Dyre教授和中国工程物理研究院材料研究所王琦研究员，在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表最新研究成果，提出：在某些玻璃体系中，主导结构与弛豫耦合关系的关键，并不只是原子“排得像不像”，而是原子之间“连得强不强、均不均”——即化学键与电子相互作用的异质性。

图1 电子相互作用异质性决定的弛豫动力学

玻璃（非晶材料）是凝聚态物理与材料科学中的重要研究对象，广泛应用于结构材料、电子信息器件及各类功能器件领域。与晶体材料具有明确的长程有序结构不同，非晶态材料在原子尺度上呈现高度无序，其物理性质对制备历史和外部条件高度敏感，表现出一系列跨越广的时间与空间尺度的动力学行为，表现出复杂而独特的弛豫特征。

长期以来，学界对玻璃结构—动力学关系的理解主要依赖几何结构分析方法，例如自由体积模型、局域五重对称结构、二十面体短程有序，以及原子构型比对、SOAP 描述符和本征构型位移等手段。这些方法在一定程度上揭示了无序结构的统计特征，但本质上侧重于刻画原子排列，而较少直接描述原子之间如何相互作用。随着研究的深入，人们逐渐认识到，仅凭几何结构往往难以解释不同玻璃体系在动力学行为等方面的显著差异，尤其是在多组元金属玻璃中，结构相似的材料常呈现出截然不同的弛豫特征，这对传统结构分析框架提出了挑战。

图2 键级（Bond order，BO）分布及其随温度的演化

针对这一问题，研究团队选取两种典型Pd基金属玻璃体系，Pd40Ni40P20与Pd40Cu40P20进行系统研究。两种材料在原子尺寸、几何排布及常规结构指标上高度相似，但实验结果却显示出显著不同的玻璃形成能力和b弛豫行为：前者更易形成热稳定玻璃，而后者则表现出异常强烈的b弛豫峰。这种“几何相似却动力学差异显著”的现象，长期以来难以用传统几何结构理论加以解释。

为突破这一瓶颈，研究团队基于大规模密度泛函理论数据训练高精度深度学习势能模型，在接近量子计算精度的前提下，实现了大体系、长时间尺度的分子动力学模拟。在此基础上，研究人员引入键级（Bond order，BO）分析，对粒子间电子相互作用强度进行定量表征。模拟结果揭示Ni与Cu的替换虽然对几何结构影响有限，却显著改变了Cu–P与Ni–P化学键强度及其空间分布特征：Cu–P键中存在更高比例的弱键成分，而Ni–P键整体更强且分布更均匀。这种由电子结构决定的化学键异质性直接调制了不同区域原子的可动性与协同重排模式，使Pd40Cu40P20更容易形成链状协同运动，从而增强b弛豫，而Pd40Ni40P20中更稳固的键合网络则抑制了这类局域重排，最终导致两种材料在宏观动力学行为上的显著差异。

该研究表明，在玻璃体系中，化学键异质性是决定动力学行为的重要自由度之一，突破了以几何构型为核心的传统分析范式，从电子结构和化学相互作用层面建立了结构—弛豫耦合的物理图景。这一工作不仅加深了对金属玻璃弛豫机理的认识，也为调控非晶材料性能、优化玻璃形成能力及理性设计新型功能玻璃提供了进一步的理论基础。