北航新闻网9月1日电（通讯员 王琳）扩散现象在生物组织、高分子、多孔材料及光电功能材料中广泛存在，是软物质物理方向关注的基本问题。北京航空航天大学物理学院软物质团队的张兴华教授和其课题组研究生在二维超均匀介质中粒子扩散的物理机制研究方面取得重要进展，相关成果发表于Physical Review Letters（物理学快报）。

在无障碍空间中的扩散问题是1905年爱因斯坦5篇划时代论文之一。而对于无序介质中的扩散问题研究长期以来，学界普遍采用随机顺序（RSA）方法生成无序障碍结构，并默认障碍物粒子密度ρ唯一结构参数，也是控制在介质中布朗粒子扩散行为的唯一参数。该工作指出这一假设存在根本性缺陷：即使密度完全相同，不同长程关联程度的无序结构也会展现出截然不同的扩散行为，而现有研究完全忽视了这一关键自由度。

在此背景下，研究团队创新性地引入超均匀性指数β（hyperuniformity exponent）作为刻画障碍介质长程关联的结构参数。β在二维情形下从1（周期性晶格）到2（泊松点过程）连续可调，从而能够系统描述从强关联到完全无关联的无序结构。对于实验上广泛使用的RSA方法生成的无序介质，需要ρ和β两个独立参数描述其结构。

通过谱密度有效扩散理论，团队在低密度极限下推导出了扩散系数的解析表达式：

该公式首次定量揭示了无序介质的密度ρ与超均匀性β对扩散系数的联合调控规律。布朗动力学模拟证明这一规律的结果在低密度条件下可以很好的定量预测扩散系数。

在高密度区域，团队进一步基于两点关联函数的平均场理论，预测了β依赖的渗流转变阈值ρc(β)。对于一般情况，通过大规模布朗动力学模拟，研究团队完整构建了完整结构参数空间(β,ρ)的动力学相图，系统识别出正常扩散、跳跃扩散（hopping diffusion）和受限态（trapped state）三种动力学相区，并阐明了笼-栅（cage-gate）结构的尺寸与门控统计如何随β变化，进而主导了不同扩散模式的形成与转变。

该研究在理论上给出无序介质中的扩散完整描述。纠正了“密度是决定无序系统中扩散行为的唯一结构参数”的传统认知，为生物组织、高分子、多孔材料和光电功能材料等复杂介质中输运性质的研究提供了新的理论图像。本文由张兴华教授课题组独立完成，论文前四位作者张静、赵胜达、岳荣欣和于佳馨为张兴华教授在北京交通大学任职期间指导的博士生，北京航空航天大学物理学院张兴华教授为论文通讯作者负责课题选择和理论解释。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目资金的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/ncm8-3fmh

（审核：王菲）

编辑：贾爱平