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中國科大在非平衡剛性逾滲研究中取得進展 逾滲（Percolation）最初用來表征流體在多孔無序介質(zhì)中的流動：當(dāng)空隙被隨機堵塞到一定程度時，流體在多孔介質(zhì)中停止流動而發(fā)生逾滲相變。逾滲相變在很多體系中都會出現(xiàn)，是一類普遍存在的臨界現(xiàn)象。熱力學(xué)平衡體系的逾滲已形成相對成熟的理論體系，然而，非平衡體系的逾滲仍呈現(xiàn)出一些特異的行為。 堵塞轉(zhuǎn)變是一類典型的非平衡液-固轉(zhuǎn)變。大量有短程相互作用的顆粒在堆積密度增大的情況下，會發(fā)生堵塞轉(zhuǎn)變，使無剛性、顆粒無束縛的疏松非堵塞“液”態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袆傂缘亩氯虘B(tài)。對于具有純排斥相互作用的顆粒，剛性在堵塞轉(zhuǎn)變處的發(fā)生是不連續(xù)的，呈現(xiàn)出一級相變的特性。然而，如果給顆粒再附加上吸引相互作用，這種剛性產(chǎn)生的相變性質(zhì)是否會發(fā)生變化？在吸引力消失的極限下是否會趨于純排斥體系的非連續(xù)相變？因為實際體系中存在一些吸引相互作用，相比于純排斥體系，對有吸引力存在的堵塞轉(zhuǎn)變的表征更具有實際意義。 在有吸引力存在的情況下，堵塞轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)出剛性逾滲（Rigidity Percolation）相變的特性。研究發(fā)現(xiàn)，這種非平衡剛性逾滲相變會呈現(xiàn)與平衡體系不同的行為。當(dāng)吸引力程較長時，堵塞轉(zhuǎn)變?nèi)员憩F(xiàn)出與平衡體系的剛性逾滲類似的行為，臨界指數(shù)滿足傳統(tǒng)的超標(biāo)度關(guān)系。當(dāng)吸引力程較短時，通常用來表征剛性集團大小分布的指數(shù)會出現(xiàn)兩個不同的值，分別對應(yīng)于最大集團和其他集團。兩類集團呈現(xiàn)出不同的指數(shù)，它們?nèi)杂邢嗤姆中尉S數(shù)。隨著體系的增大，兩類集團都在增長并在熱力學(xué)極限下趨于發(fā)散，卻呈現(xiàn)出不同的增長速度，表明體系中存在兩個不同的尺度。通常平衡體系的剛性逾滲相變存在單一發(fā)散的尺度，在非平衡堵塞轉(zhuǎn)變的剛性逾滲的表征中出現(xiàn)雙尺度是個出乎意料的結(jié)果�；陔p尺度的發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出了一個新的、一般性的超標(biāo)度關(guān)系，可以用來解釋雙尺度的出現(xiàn)所帶來的傳統(tǒng)超標(biāo)度關(guān)系的破壞。研究進一步表明，只要有吸引存在，堵塞轉(zhuǎn)變對應(yīng)的逾滲都是連續(xù)相變，因此，在吸引力趨于零的極限下，堵塞轉(zhuǎn)變的性質(zhì)與純排斥體系有本質(zhì)上的差異。該工作提供了研究非平衡逾滲的新素材，對于理解堵塞轉(zhuǎn)變的本質(zhì)有重要意義。  左圖為發(fā)生剛性逾滲的顆粒堵塞態(tài)示意圖，紅色和藍色為第一、二大剛性集團。右圖為（a）較長和（b）較短吸引力情況下剛性集團大小s的分布，對于較長的吸引，有單一的分布指數(shù)，而較短吸引有兩個不同的指數(shù)，暗示兩個不同尺度的存在。 審稿人評論，“該工作向著全面理解堵塞轉(zhuǎn)變邁出了實質(zhì)性的一步，并對于其他與逾滲相變相關(guān)的問題有潛在的影響”。論文的第一作者是王宇川，鄧友金和徐寧是共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部的支持。 |
