二维硬质圆盘体系中发现动力学调控的非平衡单步熔融路径

本研究通过Langevin动力学模拟，揭示了二维硬质圆盘体系的熔融路径受粒子动力学特性调控的机制。研究人员发现小尺寸粒子遵循传统的两步熔融路径（HX→H→I），而大尺寸粒子因笼动力学协同弛豫被捕获于亚稳态，呈现非平衡单步熔融（HX→I）。该发现为二维熔融理论争议提供了动力学视角的解释，对微纳材料开发具有指导意义。论文发表于《iScience》。

　　

在统计物理和材料科学领域，二维体系的熔融机制长期存在理论争议。传统Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-Helperin-Nelson-Young（BKTHNY）理论预测了两步熔融路径：六方晶相（HX）先通过连续相变转为六方相（H），再经一级相变成为各向同性流体（I）。然而实际研究中，硬质圆盘体系的熔融行为常出现与理论预测的偏差，这种矛盾促使研究者深入探索影响熔融路径的隐藏因素。

温州大学物理系的研究团队通过创新性设计"蛋黄"结构模型粒子，在Langevin动力学模拟中发现粒子尺寸通过调控动力学行为，可改变二维硬质圆盘体系的熔融路径。该研究构建的复合粒子由固定半径核心（R_c=2R₀）和可调半径环（R_r）组成，通过参数ζ=(R_r-2R₀)/R_c控制粒子尺寸。关键创新在于粒子摩擦系数与尺寸成正比，实现了单粒子扩散行为相似但集体动力学特性可调的系统。

研究主要采用三项关键技术：1）基于GALAMOST的GPU加速Langevin动力学模拟，追踪N=250×250粒子体系；2）通过Voronoi tessellation和缺陷聚类分析定量表征拓扑缺陷（中性缺陷、位错、向错）；3）创新定义笼动力学参数L₆(t)和自散射函数F_s(2π/R_ch,t)，解析粒子逃逸笼结构的协同运动。

单粒子动力学与集体熔融行为的关联

模拟显示虽然所有ζ粒子均呈现高斯型单粒子扩散（图1C），但ζ=1.0（小尺寸）体系遵循经典两步熔融：状态方程（EOS）显示连续HX→H转变（φ_A≈0.733）和一级H→I转变（0.709<>_A<0.727共存窗口）。而ζ=4.5（大尺寸）体系出现反常单步熔融，直接通过一级相变（0.701<>_A<0.719共存窗口）从HX跃迁至I相（图2E-H）。

笼动力学主导的熔融路径选择

缺陷演化分析揭示关键差异：ζ=1.0体系中位错（φ_A≈0.733）和向错（φ_A≈0.727）分阶段出现，符合BKTHNY理论；而ζ=4.5体系向错与位错同步涌现（φ_A≈0.722），但系统保持HX准长程有序直至φ_A=0.719。笼动力学分析显示，ζ=4.5体系的L₆(t)增长速率显著低于ζ=1.0体系（图3E），表明大尺寸粒子形成的笼结构更稳定，延缓了缺陷的协同弛豫。

尺寸依赖的熔融相图

系统研究表明ζ≤3.5时保持两步熔融，而ζ≥4.0时转为单步熔融（图4）。通过简单硬盘模型验证（图5），证实当摩擦系数∝R时，R₀和20R₀粒子分别再现两步和单步熔融，证明该现象的普适性。

研究结论指出，二维硬质圆盘体系的熔融路径选择本质上是动力学过程与热力学竞争的体现。大尺寸粒子因摩擦增大导致有效扩散系数D_eff降低，使系统被捕获于亚稳态，呈现非平衡单步熔融。这一发现合理解释了既往研究中硬盘熔融行为的争议，并为功能性微纳材料设计提供了新思路——通过调控粒子动力学特性可实现相变路径的人工设计。研究还暗示，在10^-7-10^-5米尺度的生物大分子（如蛋白质、核酸）体系中，类似的动力学调控机制可能普遍存在。