【科研揭秘】液态-玻璃态转变研究新手段:含有“受困”电子的有机金属材料

必发娱乐手机版2017年11月7日讯  水除了气态、液态和固态外,还有玻璃态。玻璃态是一种冷的液态,即液态水在摄氏零度以下不结冰而保持液态。玻璃态的水和冰不一样,它无固定的形状,不存在晶体结构。与固态相比,它更像一种极端粘滞、呈现固态的液体。水的玻璃态密度与液态密度相同。

在古代,人们就已经利用某些液体能够转变为玻璃的这一特性展开各种生产活动。然而,液态-玻璃态转变过程所包含的许多基本机理还尚不明确,而对基本机理的更好理解能够有效促进新产品的开发,比如 DVD 或蓝光光盘通过改变其物质状态实现数据存储。

近日,在引发液态转变为固态晶体或玻璃态关键的电子过程中,日本东北大学(Tohoku University)的研究人员又有了新的发现。

这个由东北大学材料研究所 Kenichiro Hashimoto 所带领的多机构组成的日本团队,将常规液体(如葡萄糖)玻璃态形成的分子动力学与含有“受困”电子的有机金属材料进行比较。

二维的四分之一填充的有机固体是一类有广阔前景的材料,用于实现被称为“二聚体Mott”绝缘体的强相关绝缘状态和电荷顺序的研究。在这类有机固体的导电层中,分子形成各向异性的三角形晶格,其具有几何挫折束缚效应,这使得在两个绝缘体之间和与之相邻的金属中会产生许多非常有意思的物质状态。这种挫折束缚来源是基于具有能量不满足键的几何旋转玻璃图形(就像那个三角形晶格)。所谓的“受困”电子,就是处在这种三角形晶格中。

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【科研揭秘】液态-玻璃态转变研究新手段:含有“受困”电子的有机金属材料

图 | 电子在冷却时从液态(顶部图)转变为玻璃态(底部图) 图自:Kenichiro Hashimoto

在有机金属中负责导通电流的“受困”电子,因为它们在材料晶格上的特殊几何排列而不能处于其能量的最低态。常见的那些能形成玻璃态的液体,在缓慢冷却的过程中,其原子分布排列变得非常规则,最后形成晶体材料。

同样地,研究人员缓慢冷却含有“受困”电子的有机金属时,发现这些电子也表现出相似的规则排列然后成晶。然而,加快其冷却速度后他们发现,有机金属材料的受困电子重新组织排列,最后却并不能形成晶体,而是和常见的能形成玻璃态的液体一样,转变为玻璃。

此结果凸显了液态-玻璃态转变过程的某些基本性质。因此,团队的研究人员认为,这些有机金属材料为学习研究液态-玻璃态转变的基本特性提供了一个十分便利的工具。

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