东京大学先端科学技术研究中心田中肇高级项目顾问（特任研究员）、Wang Yinqiao特任研究员，以及中国科学技术大学的钱庄博士生、童华教授等组成的国际联合研究团队，成功制备出具有卓越稳定性的超均匀（Hyperuniform）非晶状固体，即超均匀玻璃，并明确了其基本性质，同时在堵塞转变和理想玻璃相变方面取得了新发现。相关成果已发表在《Nature Communications》上。
图1 超均匀玻璃的快照（供图：东京大学）
图2 超均匀玻璃状态的密度分布及其形成过程。初始的随机填充状态（a）以及经过新算法迭代处理后的超均匀过填充玻璃状态（b）的快照。粒子根据局部填充率ϕᵢ=4πRᵢ³/3Vᵢ进行着色，其中Rᵢ为粒子半径，Vᵢ为对应的沃罗诺伊体积。（c）不同迭代次数niter下的密度谱χᵥ(q)。随着迭代次数的增加，低波数区域的密度波动减少，最终实现以虚线表示的幂律缩放关系。（供图：东京大学）
超均匀玻璃在低波数（q）区域，即长距离尺度上，密度波动被显著抑制，因其独特性质作为一种特殊的玻璃状态而广受关注。特别是在粒子高度填充时，从流动行为向固态行为转变的堵塞转变现象中，但关于堵塞转变点之上的超均匀性特征，以及在超过堵塞点的更高密度状态下超均匀性能否得以维持的问题，长期以来一直存在争议。
研究团队通过使用特殊算法，首次成功在远高于堵塞点的高密度状态下，数值生成了具有最强超均匀性的非晶状固体。
这种玻璃态的特征在于其密度谱遵循幂律关系（qα，α=4）。此外，研究表明，通过将超均匀填充状态和密度波动较大的常规过填充状态分别减压至各自的堵塞点，明确了堵塞点之上的超均匀状态下，存在与制备过程无关的幂律指数。特别是，密度的超均匀性的幂指数为α≈0.25，粒子间接触数的超均匀性指数为α≈2，两者均与堵塞转变点的临界性密切相关。
此外，尽管极限堵塞状态和既往的过填充状态都表现出极限稳定性，但超均匀的过填充状态具有可与晶体相媲美的卓越的振动、动力学、热力学和机械稳定性。
此次发现不仅为超均匀过填充玻璃状态提供了关于理想非晶状固体状态的重要见解，还可能在兼具超均匀性和超稳定性的特殊玻璃态的设计，以及具有非晶状结构的超材料的形成等应用领域产生重大影响。
田中高级项目顾问表示：“20多年前，Torquato和Stillinger提出了在无序致密填充状态下，长波长密度波动被抑制的‘无序超均匀性’概念。无序超均匀材料兼具液体的各向同性和晶体的密度波动抑制特性，并展示出优异的光学和电子特性。此次我们成功制备了在热力学和力学上极为稳定的超均匀过填充玻璃态，说明玻璃也能实现与晶体相当的稳定性。我们期待这一成果能够推动玻璃材料稳定性的提升，并拓展其在新领域的应用可能性。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Hyperuniform disordered solids with crystal-like stability
DOI：10.1038/s41467-025-56283-1/
