[論文レビュー] Crystallization of the Wahnström Binary Lennard-Jones Liquid

Ulf R. Pedersen, Nicholas P. Bailey+2 more|ArXiv.org|Jun 6, 2007

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、マイクロ秒スケールの分子動力学的シミュレーションにおいて、ワーンストロームの二成分レナードジョーンズ系液体が自発的に結晶化することを報告している。結晶構造としてMgZn₂（C14）ラーヴェス相が安定相として特定された。結晶化機構は核生成と成長に支配されており、最大の結晶化速度はT = 0.60 ± 0.02で観測された。密度ρ = 0.82における融解温度はTₘ = 0.93 ± 0.02と推定された。

ABSTRACT

We report observation of crystallization of the glass-forming binary Lennard-Jones liquid first used by Wahnström [G. Wahnström, Phys. Rev. A 44, 3752 (1991)]. Molecular dynamics simulations of the metastable liquid on a timescale of microseconds were performed. The liquid crystallized spontaneously. The crystal structure was identified as MgZn_2. Formation of transient crystallites is observed in the liquid. The crystallization is investigate at different temperatures and compositions. At high temperature the rate of crystallite formation is the limiting factor, while at low temperature the limiting factor is growth rate. The melting temperature of the crystal is estimated to be T_m=0.93 at rho=0.82. The maximum crystallization rate of the A_2B composition is T=0.60+/-0.02.

研究の動機と目的

• 長時間スケールにわたる準安定でガラス形成性を示すワーンストロームの二成分レナードジョーンズ系液体の結晶化挙動を調査すること。
• 結晶化中に形成される結晶構造を特定し、構造的分析を用いてその正体を検証すること。
• 異なる温度における結晶化を支配する動力学的制限要因（核生成 vs. 成長）を同定すること。
• 結晶相の融解温度Tₘと最大結晶化速度を示す温度を推定すること。
• 液体、過冷液体、ガラス状態、結晶状態を含む状態を有する系における、構造的緩和、一時的結晶核の形成、結晶成長の相乗的相互作用を明らかにすること。

提案手法

• 時間ステップ0.01t*を用いて、Gromacsソフトウェアパッケージを用いた非平衡分子動力学的シミュレーションを実施した。
• パラメータとしてσ_BB = 1.2σ_AA、m_B = 2m_A、およびすべてのペアに対してε_ij = 1を用いたレナードジョーンズポテンシャルを採用した。
• 一定温度を維持するためのノーゼ＝フーバー thermostat を使用し、周期的境界条件を適用した。
• 2.0σから3.5σの範囲でスイッチ関数を適用し、3.5σでポテンシャルを滑らかにカットオフした。
• ρ = 0.75およびρ = 0.82σ⁻³_AAの密度条件下で、N_A = N_B = 512およびN_A = 1024、N_B = 512の組成でシミュレーションを実施した。
• VMDを用いて可視化を行い、共通近接原子分析を用いて結晶核を同定し、結晶構造の確認を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワーンストロームの二成分レナードジョーンズ系液体は、マイクロ秒スケールのシミュレーションで自発的に結晶化するか？
• RQ2 結晶化中に形成される結晶構造は何か。また、A₂B組成とどのように関係しているか？
• RQ3 異なる温度における結晶化を支配する動力学的制限要因は核生成か成長か？
• RQ4 与えられた密度および組成下でのMgZn₂相の融解温度Tₘは何か？
• RQ5 A₂B組成において、結晶化速度が最大になる温度は何か？

主な発見

• ワーンストロームの二成分レナードジョーンズ系液体は、マイクロ秒スケールのシミュレーションにおいて自発的に結晶化し、準安定液体が長期スケールでは真に安定でないことが示された。
• 形成された結晶構造は、P6₃/mmc対称性を有するMgZn₂（C14）ラーヴェス相と特定され、A₂B化学 stoichiometryおよび粒子サイズ比と整合的であった。
• 過冷液体中には一時的な結晶核が形成され、共通近接原子分析により確認された。これらは完全な結晶化の前段階として一時的なエネルギー低下として観測された。
• 高温（T = 0.624）では核生成が制限因子であったが、低温（T = 0.583）では結晶成長が制限要因であった。
• MgZn₂結晶の融解温度は、ρ = 0.82におけるTₘ = 0.93 ± 0.02と推定された。
• 最大の結晶化速度はT = 0.60 ± 0.02で観測され、結晶化動力学の最適な温度窓が存在することが示された。