洞察复杂的无定形实体世界

固体材料有许多不同的品种，从高度刚性，有序的晶体材料到更加滑爽，非晶固体的不规则世界。虽然我们具有理解结晶材料的性质和行为的良好理论，但无定形固体结构中的疾病使其基本物理复杂地理解。然而，东京大学的Hideyuki Mizuno教授一直在使用计算模拟来了解这些材料中的缺陷，使其如此有趣。

固体材料的特性不仅来自于存在的化学元素，而且很大程度上来自于这些原子在固体中的排列。分子可能是由10个左右原子单独排列而成，而固体则不同，固体通常是由数百个原子重复排列而成，很像被镶嵌了数千次的形状。

在固体材料中发现的重复原子基质被称为单位电池，其是描述整体固体的全面对称性的最小重复单元。对于晶体材料，例如大多数金属，雪花甚至计算机芯片中的硅，底层结构高度规则。这些微观性质反过来影响其宏观，物理性质，这意味着它们具有锋利的定义熔点，并且通常是刚性的。

对于许多应用，例如能源生成，我们对固体转移热量的能力感兴趣，以及通过调整材料的原子结构，我们可以有效地完成这一点。即使在最冻结的条件下，分子中的原子也不会静止。相反，它们处于恒定的运动，其中一些能量和运动被困在被称为振动模式的内容中。

随着材料的温度随着这些振动的幅度而增加，称声子或声子被称为许多原子中的较大的合作运动。这些声子或振动模式非常重要，因为这些是有助于通过材料移动热能。对于常规结晶固体，它们振动的原子的位置是明确定义的，并且我们有几个理论来描述振动模式的类型及其频率，以及我们可以预测整个系统的整体性质和行为。

这使得人们可以看到原子在能量通过结构传递时跳舞。

然而，东京大学的Hideyuki Mizuno教授感兴趣的是那些行为不太好的材料。有一大类被称为非晶态固体的材料，在这种材料中，整个固体结构很难用单个单元电池生产。这是因为结构中存在缺陷或瑕疵，降低了整体对称性和秩序。尽管许多材料，如玻璃，具有这种类型的结构，但我们对这种结构如何影响材料的热传递特性，或者分子振动在潜在传递机制中的确切作用只有有限的了解。

无定形的描述
虽然玻璃是非晶态固体的典型示例，但许多其他材料，如塑料、陶瓷和沥青，也具有这些类型材料的潜在结构不规则特征。可以利用这些缺陷或结构不均匀性来改变其物理特性，如弹性刚度和热导率。

Mizuno教授和东京大学的团队是创建计算模型的专家来描述这些复杂的系统，可用于探索其潜在物理学。在这种分子动力学模拟中，每个原子被描述为具有给定电荷的小球体，其可以通过电位与其他原子相互作用，一种模拟原子彼此施加的力的方式。

系统中包含特定的温度和能量量，作为模拟的开始，然后作为时间的函数进行演化。通过计算不同时间步的不同性质，可以可视化整个固体中的能量转移，甚至可以跟踪所有原子的运动，从而可以通过激发振动模式观察能量通过结构时原子的舞蹈。

对于这些不规则系统，分子动力学模拟是一个非常强大的工具，由于其随机性，无法用解析数学计算来描述。它们还使得探索“计算机上的化学”相对容易，在计算机上原子可以被交换成其他元素，或者原子的密度可以增加，通过运行模拟，我们可以看到这如何影响材料的整体性能。这就是为什么分子动力学模拟不仅在材料设计中很受欢迎，而且在制药工业中也被用作预筛选候选药物的工具。

这项工作发现了新的方法来模拟和描述非晶态系统中这些低频模式的物理特性。

水野教授所做的模拟类型的特殊之处在于，他能够使用大规模数值模拟来研究材料中的基本物理。首先，他必须根据原子数量及其位置对系统进行准确描述，然后他可以通过操纵或向系统施加应力来观察系统的低频模式的行为，在这个过程中，我们发现了新的方法来模拟和描述非晶态系统中这些低频模式的物理特性。

振动运输
在他的模拟中，Mizuno教授一直在精心调查材料响应和属性如何变化，从高度有序的晶体系统到缺陷填充的无定形系统。通过严格分析振动模式和导热系数，Mizuno教授察觉振动模式和传热的性质高度依赖于固体中的异质的量和类型。这是因为缺陷改变了与系统中的振动相关联的运动类型的复杂性，这也使得它们更局限于固体的特定区域。

有些令人惊讶的是，他还发现，对于非晶系统，存在异质性，其不限于局部位点，而是甚至在宏观尺度（连续统计限制）上表示局部缺陷振动的签名。这种缺陷振动从不存在于结晶系统中，是无定形系统的。它们干扰材料中的能量转移并降低导热率。

Mizuno教授的工作代表了我们了解无定形系统中的局部结构性不均匀性如何影响材料的整体性质：它们在不同的尺度中表现不同，并在非形貌系统中形成“多尺度结构”。这些调查结果为我们提供了可应用于许多非形态系统的新工具，例如硅酸盐眼镜，金属眼镜，塑料，陶瓷和沥青，这些产品在基础科学和工程中广泛应用于基础。