编者按
《玻璃形成体系中的β弛豫》一文就β弛豫的几个热点问题：如β弛豫的普适性、β弛豫物理本质进行梳理，以此阐明β弛豫对液体和玻璃认知的影响，进而获得β弛豫的研究意义和未来需要解决的问题以及研究方向。上述工作的第一作者和通信作者均为中国科学院物理研究所副研究员闻平。引言
液体固化是研究液体本质的重要途径和方法。实践证实，常压下液体可通过两种方式转变为固体。其一是冷却过程中相变(液体→晶体)的晶化；另一个途径是玻璃转变。在晶化避免的前提下，冷却中液体转变为特殊类型的固体—玻璃。迥异于晶化，实验观测到的玻璃转变不是一个相变过程。
对玻璃转变的研究发现液体动力学行为具有普适性。一定压强下，液体黏度η随温度的降低而逐渐增大，在Tm至Tg(约为2Tm/3)区间，可连续变化13—15个数量级。
黏度关联的结构弛豫通常特指液体的主弛豫，在过冷液相区称为α弛豫，而在接近于Tg处的深过冷液相区则称之为α弛豫。
典型玻璃形成液体结构弛豫随温度的演化示意图
大量的研究表明绝大多数玻璃形成液体的τ随温度T的变化偏离Arrhenius关系。
20世纪70年代，人们意外发现还存在另一种次弛豫。这种次弛豫与α弛豫存在密切联系，以发现人姓氏命名为“Johari-Goldstein”(JG)弛豫，又称为慢β弛豫或β弛豫。自发现以来，其基本特征以及物理机理就备受关注，进而引发了对玻璃转变和液体更为深入的探索。
大多数实验观测显示β弛豫与α弛豫相伴出现在深过冷液体区域。由α弛豫分裂为β弛豫和α弛豫是一个过程，对应一个温度交叉(crossover region)。
温度T1处介电结构弛豫谱
公认β弛豫基本特征有：
1)β弛豫是一个热激活过程，其平均弛豫时间与温度成Arrhenius关系；
2)时间范畴内β弛豫要比α弛豫更快；
3)在频率范畴内β弛豫峰要比α弛豫更宽；
4)在实验时间尺度下α弛豫只存在于液体，而β弛豫不仅存在于液体，还能存在于玻璃。
存在的普适性
β (JG)弛豫隶属于次结构弛豫。Johari和Goldstein发现的β弛豫存在于刚性分子型玻璃形成体系。刚性分子的内部运动可以忽略，因此β弛豫只可能与分子或分子间的运动模式存在联系，进而与α弛豫有着必然的联系。从理论上来看，β弛豫应该像α弛豫一样具有普适性。
现有结构弛豫主要的探测手段常常基于介电谱测量技术。大量的介电谱弛豫研究表明，众多分子型玻璃形成体系中存在α弛豫的同时没有明显的β弛豫。大多数情况下, α弛豫峰的高频端显现出一个数学分析无法描述的过剩尾(excess wing)。
介电谱中α弛豫和其高频过剩尾示意图
过剩尾与β弛豫的关系存在两种相互冲突的观点：一是过剩尾是β弛豫存在普适性的佐证，是α弛豫峰与β 弛豫峰相互重叠造成的；另一种研究结果是过剩尾与β弛豫无关，它只是α 弛豫复杂性的一种表现。介电谱技术研究过剩尾与β弛豫的关系的报道有很多，研究结果时常自相矛盾。过剩尾是否表明β弛豫的存在至今无法达成定性共识。
与介电谱研究不同，另一种结构弛豫探测手段是动态力学谱测量技术。动态力学谱结构弛豫可以明确对应质点的径向平移运动，因为这种运动模式是径向扩散的机理, 能够引发结构涨落，造成结构弛豫。
中国科学院物理研究所汪卫华研究团队采用动态力学分析技术对数10种块体金属玻璃中的结构弛豫展开了系统研究。在Zr46.75Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5合金深过冷液相区首次观测了较为完整的结构弛豫谱，发现该谱主要来源于α弛豫，不过高频端存在α弛豫无法描述的区域，类似于介电弛豫研究中分子玻璃形成体系的过剩尾。此后过剩尾在大量不同类型的金属玻璃形成体系中不断被发现和证实，显示过剩尾是金属玻璃体系结构弛豫的一个基本特征。近期该研究团队以及其他研究小组在La稀土基玻璃形成体系发现了明显的β弛豫。
借鉴于介电谱结构弛豫研究的有争议结果：过剩尾就是β弛豫，金属玻璃形成体系中β弛豫在该领域逐渐被认为是普适的。
在β弛豫普适性存在争论的同时，β弛豫的物理图像并不十分清晰，尝试建立在液体基本组成单元运动基础上的结构弛豫机理仍有待进一步完善和论证。
典型强弱液体的能垒形貌示意图
（标注了弱液体中的α弛豫和β弛豫基本原理）
β弛豫机理
Williams和Watts提出宏观结构弛豫对应体系组成单元(分子)的内禀运动之一—转动，而且转动又可以分为小角度和大角度两种类型，分子小角度转动引发的结构重排对应β弛豫，分子大角度转动产生的结构弛豫则为α弛豫。直观上热驱动下小角度转动要比大角度转动更容易发生，从而时间尺度上小角度重排要快于大角度重排，所以β弛豫要快于α弛豫；小角度转动对应的弛豫强度要比大角转动的低，由此推断出β弛豫的弛豫强度要远远弱于α弛豫。
β弛豫的旋转机理涉及的是所有组成单元以及它们的小角度转动，隐含了非晶体系结构是均匀的。
与旋转机理恰恰相反，β弛豫的另一个机理就是建立在深过冷液体空间堆拓是不均匀性的，并认为结构弛豫起因于体系中特定区域的扩散，既包含了径向扩散，又涵盖了转向扩散。
松散独立区域中的局域扩散要快于致密基体中的扩散。β弛豫对应于松散区域的扩散，而α弛豫则是致密基体中的扩散。因此，时间尺度上β弛豫要比α弛豫先出现，而且其弛豫强度要弱。这种最初的β 弛豫机理描述并没有论述独立松散区域的大小以及其随温度的变化。
结论和展望
典型非晶体系(深过冷液体和玻璃)中β弛豫的研究已对液体和玻璃本质的认识产生了深刻影响。尽管β弛豫存在的普适性仍有待进一步证实，但其基本规律已经形成，表明分布广泛(包括成分、结合键和组成单元等)的液体有着明显并可以认知的普遍特征。
未来β弛豫研究方向大体为：
1) β弛豫与α弛豫的关联性：β弛豫与α弛豫关联范式的确立将有助于液体基本理论框架的建立，对于现有凝聚态理论的拓展意义重大。
2) β弛豫与液体动力学特征—“脆度”的关联性：相同或相近“脆性”的液体, 有的结构弛豫中存在明显的β弛豫, 而有的难以观测, 原因何在？越脆的液体, 其β弛豫一定越明显吗？
3) β弛豫对于玻璃转变的影响：为何大多数玻璃形成液体在1.2Tg处才出现β弛豫，并且与α 弛豫分离？为何β弛豫不仅仅存在于液体，而且能存在于玻璃？
4) β弛豫的机理: 为何不同的测量技术(如介电谱和动态力学谱测量)都能观测到β弛豫？能否在同一体系中采用不同的测量技术观测β弛豫？其获得的β 弛豫是否一样, 或存在差异？组成单元的转动还是径向平动或者两者的耦合引发β 弛豫？
来源：物理学报 第66卷 第17期 2017年9月 闻平《玻璃形成体系中的β弛豫》
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