[論文レビュー] A theoretical perspective on the glass transition and nonequilibrium phenomena in disordered materials

Ludovic Berthier, Giulio Biroli|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2010

Material Dynamics and Properties参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、過冷却液体におけるガラス転移を、空間的に不均一な動的挙動、老化現象、ソフトガラス的材料の rheology に焦点を当て、包括的な理論的分析を提供する。微視的で統計力学に基づく理論を評価し、主な成功事項と限界を強調するとともに、不規則系における今後の研究を形作る中心的な未解決問題を特定する。

ABSTRACT

We provide a theoretical perspective on the glass transition in molecular liquids at thermal equilibrium, on the spatially heterogeneous and aging dynamics of disordered materials, and on the rheology of soft glassy materials. We start with a broad introduction to the field and emphasize its connections with other subjects and its relevance. The important role played by computer simulations to study and understand the dynamics of systems close to the glass transition at the molecular level is spelled out. We review the recent progress on the subject of the spatially heterogeneous dynamics that characterizes structural relaxation in materials with slow dynamics. We then present the main theoretical approaches describing the glass transition in supercooled liquids, focusing on theories that have a microscopic, statistical mechanics basis. We describe both successes and failures, and critically assess the current status of each of these approaches. The physics of aging dynamics in disordered materials and the rheology of soft glassy materials are then discussed, and recent theoretical progress is described. For each section, we give an extensive overview of the most recent advances, but we also describe in some detail the important open problems that, we believe, will occupy a central place in this field in the coming years.

研究の動機と目的

• 熱的平衡状態における分子液体のガラス転移を理解するための理論的枠組みを提供すること。
• 統計力学的手法を用いて、不規則系における空間的に不均一で、老化を伴う動的挙動を分析すること。
• 最近の理論的進展を用いて、ソフトガラス的材料の力学的挙動を検討すること。
• ガラス転移の主要な理論モデルの長所と短所を厳密に評価すること。
• 今後の分野研究を形作る主要な未解決問題を特定・強調すること。

提案手法

• コンピュータシミュレーションを用いて、ガラス転移付近の分子レベルの動的挙動を調査する。
• 過冷却液体におけるガラス転移を記述する統計力学に基づく理論的アプローチをレビューする。
• 相関関数と動的感受率の測定を用いて、空間的に不均一な動的挙動を分析する。
• 老化動的挙動の形式的枠組みを用いて、不規則系における時間依存の緩和を記述する。
• rheological モデルを統合して、ソフトガラス的材料の機械的応答を記述する。
• 予測力と限界を厳密に評価することで、理論的枠組みを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計力学的観点から、過冷却分子液体におけるガラス転移の根本的メカニズムは何か？
• RQ2 空間的に不均一な動的挙動はどのようにして生じ、不規則系における構造的緩和にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非平衡状態に近い系において、老化動的挙動を最もよく記述する理論的モデルは何か？
• RQ4 最近の理論的進展は、ソフトガラス的材料の rheological 挙動をどのように説明しているか？
• RQ5 ガラス転移理論および非平衡動的挙動分野における、最も深刻な未解決問題は何か？

主な発見

• コンピュータシミュレーションは、とくに遅い、不均一な緩和過程を捉えることにより、ガラス転移付近の分子スケールの動的挙動を明らかにする上で不可欠であった。
• 統計力学に基づく理論的アプローチは、ガラス転移に関する深い知見を提供したが、動的停止の発現を完全に記述するには依然として大きな課題が残っている。
• 空間的に不均一な動的挙動は、過冷却液体における構造的緩和の特徴的側面であり、動的感受率はガラス転移付近で顕著に増大する。
• 不規則系における老化動的挙動は、時間依存の緩和挙動を示し、モード結合理論や動的促進理論によってよく記述されるが、その定量的予測については議論の余地がある。
• ソフトガラス的 rheology における最近の理論的進展は、降伏応力と viscoelastic 応答の理解を向上させたが、統一的な微視的記述はまだ存在しない。
• 真のガラス転移の性質や、隠れた秩序の役割といった、いくつかの主要な未解決問題は、今後の理論的発展の中心的テーマのまま残っている。