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钱学森力学班大四学生黄世成等在关于过冷流体内探针分子的布朗运动的解释机理上取得进展

2015年3月,在哈佛大学锁志刚教授的领导下,哈佛大学刘綦涵博士和清华大学航院钱学森力学班大四年级学生黄世成在关于过冷流体内探针分子的布朗运动的解释机理上取得进展,相关工作以“Brownian Motion of Molecular Probes in Supercooled Liquids”为题发表在国际著名期刊《物理评论快报》(Physics Review Letters)上。

长久以来,一个有趣的实验现象一直困扰着科学家——在过冷流体中,分子的布朗运动并不遵循斯托克斯-爱因斯坦方程。在流体温度接近玻璃化转变温度时,探针分子的扩散率乘以流体的粘性系数再除以温度所得到的量并非常数,其会比在高温时有几个数量级的增加。更多的实验报道证实,这个量的增幅除了与温度相关外,还与探针分子和流体分子的大小有关。

为解释这一现象,在爱因斯坦提出的流体的粘性流动影响探针分子迁移率(mobility)的已有假设基础上,该小组又进一步考虑了流体的分子跳跃(molecular hopping)对迁移率的贡献,将粘性流动和分子跳跃视为同时发生的两个过程。该机理表明,在温度接近玻璃化转变温度,探针分子较小时,流体内分子跳跃对探针分子的布朗运动的贡献要远大于流体的粘性流动的贡献。将该机理量化得出的理论方程与实验数据吻合得很好。