[論文レビュー] Modes of wall induced granular crystallisation in vibrational packing

Weijing Dai, J. Reimann+3 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2018

Granular flow and fluidized beds被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、振動する円筒形容器内における壁に起因する粉体結晶化を、単分散球体を用いた分子動力学シミュレーションによって調査した。結合方位秩序パラメータの分析により、結晶化が壁に隣接するテンプレートから外延的に開始され、円筒形および平面形の壁で異なる構造的結果をもたらすことが明らかになった。これは、粉体系における構造的ダイナミクスを理解するための微視的根拠を提供する。

ABSTRACT

Granular crystallisation is an important phenomenon whereby ordered packing structures form in granular matter under vibration. However, compared with the well-developed principles of crystallisation at the atomic scale, crystallisation in granular matter remains relatively poorly understood. To investigate this behaviour further and bridge the fields of granular matter and materials science, we simulated mono-disperse spheres confined in cylindrical containers to study their structural dynamics during vibration. By applying adequate vibration, disorder-to-order transitions were induced. Such transitions were characterised at the particle scale through bond orientation order parameters. As a result, emergent crystallisation was indicated by the enhancement of the local order of individual particles and the number of ordered particles. The observed heterogeneous crystallisation was characterised by the evolution of the spatial distributions via coarse-graining the order index. Crystalline regimes epitaxially grew from templates formed near the container walls during vibration, here termed the wall effect. By varying the geometrical dimensions of cylindrical containers, the obtained crystallised structures were found to differ at the cylindrical wall zone and the planar bottom wall zone. The formed packing structures were quantitatively compared to X-ray tomography results using again these order parameters. The findings here provide a microscopic perspective for developing laws governing structural dynamics in granular matter.

研究の動機と目的

• 振動下における粉体結晶化のメカニズム、特に容器の壁の果たす役割を理解すること。
• 原子スケールの結晶化原理と粉体系のダイナミクスの間のギャップを埋めること。
• 容器の幾何学的形状が結晶秩序の空間的分布および進化に与える影響を調査すること。
• 同一の秩序パラメータを用いて、シミュレーション結果をX線トモグラフィーのデータと照合すること。
• 不規則な粉体系における構造的ダイナミクスを支配する法則を記述する微視的枠組みを構築すること。

提案手法

• 制御された振動励起のもと、円筒形容器内に単分散球体をシミュレートした。
• 局所的な粒子スケールの構造的秩序を定量化するために、結合方位秩序パラメータを用いた。
• 秩序インデックスの粗粒化を用いて、結晶化パターンにおける空間的不均一性を特徴づけた。
• 壁に隣接する領域からの結晶化の開始を、外延的成長のテンプレートとして分析した。
• 同一の秩序パラメータを用いて、シミュレートされた包装構造と実験的X線トモグラフィーのデータを比較した。
• 円筒形容器の寸法を変化させ、幾何的要因が最終的な結晶構造に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 容器の壁は、振動する粉体系における結晶化の開始および伝播にどのように影響するか？
• RQ2 円筒形壁と平面形壁の境界で、それぞれ異なる結晶化モードが存在するか？
• RQ3 円筒形容器の幾何的変化が、最終的な粉体包装構造にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 同一の秩序パラメータを用いた場合、シミュレートされた構造的ダイナミクスはX線トモグラフィー測定値とどの程度定量的に一致するか？
• RQ5 局所的秩序パラメータは、不均一な結晶化を特定および特徴付けるために果たす役割は何か？

主な発見

• 結晶化は壁に隣接する領域から外延的に開始され、秩序ある成長を誘導するテンプレートを形成する。
• 幾何的制約のため、円筒形の壁領域は平面の底面壁領域とは異なる結晶構造を示す。
• 結合方位秩序パラメータは、局所的構造的秩序を効果的に定量化でき、無秩序から秩序への遷移を追跡できる。
• 秩序の空間的分布は不均一に進化し、結晶領域が壁に隣接する核化部位から成長する。
• 同一の秩序パラメータを用いて評価した場合、シミュレートされた包装構造はX線トモグラフィーのデータと強く定量的に一致する。
• 振動誘起結晶化は容器の幾何学に極めて敏感であり、異なる寸法で異なる構造的結果が観察された。