一种区分非晶态冰的局域结构基础

《Nature Communications》：A local structural basis to distinguish amorphous ices

　　

摘要

具有不同热力学性质的相，其底层微观构型必然不同。有序相很容易通过晶胞和空间群加以区分，但区分无定形相的局部结构基础却并不明显。在此，我们利用一种新的概率数据驱动框架应用于水的分子模拟，识别出能够区分低密度冰（LDA）和高密度冰（HDA）的局部集体变量，并表征二者之间的压力诱导转变。正如预期，与局部密度相关的描述符能够有效区分LDA和HDA；然而，相的身份出人意料地被编码在第一配位壳层中。此外，压力诱导的LDA–HDA转变通过LDA样与HDA样局部环境之间的重新分配进行，没有发现中间结构的证据，这与一阶类相变相符。这与在其他无定形体系（如金属玻璃）中观察到的逐渐结构演化形成对比。关键在于，局部氢密度揭示了压缩与解压缩路径之间显著的结构滞后现象，而这一现象在取向有序参数中并不明显，表明对无定形转变的微观解释从根本上依赖于描述符的选择。这些发现在不同力场下均保持稳健，并为表征缺乏明显区分特征的无序相提供了一般性策略。