[論文レビュー] Molecular dynamics simulation of the capillary leveling of a glass-forming liquid

I. Tanis, K. Karatasos+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Material Dynamics and Properties参考文献 60被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、ガラス形成性二成分Lennard-Jones系液体の毛細管平滑化を調査し、パターンの減衰ダイナミクスに温度依存性のクロスオーバーが存在することを明らかにした。表面粒子は、体積内粒子に比べて最大10⁵倍も高速な拡散を示すことが判明し、ガラス転移温度未満においても移動性の高い表面層が存在することを支持する。

ABSTRACT

Motivated by recent experimental studies probing i) the existence of a mobile layer at the free surface of glasses, and ii) the capillary leveling of polymer nanofilms, we study the evolution of square-wave patterns at the free surface of a generic glass-forming binary Lennard-Jones mixture over a wide temperature range, by means of molecular dynamics simulations. The pattern's amplitude is monitored and the associated decay rate is extracted. The evolution of the latter as a function of temperature exhibits a crossover between two distinct behaviours, over a temperature range typically bounded by the glass-transition temperature and the mode-coupling critical temperature. Layer-resolved analysis of the film particles' mean-squared displacements further shows that diffusion at the surface is considerably faster than in the bulk, below the glass-transition temperature. The diffusion coefficient of the surface particles is larger than its bulk counterpart by a factor that reaches 105 at the lowest temperature studied. This factor decreases upon heating, in agreement with recent experimental studies.

研究の動機と目的

• ガラス形成性液体に正方形波型表面パターンを導入し、毛細管平滑化ダイナミクスを調査すること。
• パターンの減衰における温度依存性を検討し、明確に異なる動的領域を同定すること。
• ガラス転移温度未満におけるガラス形成性液体の表面拡散の存在とその範囲を解明すること。
• 最近のポリマーおよびガラスにおける移動性表面層の実験的観察と、シミュレーション結果を一致させること。

提案手法

• ガラス形成性液体を表す二成分Lennard-Jennings混合系の分子動力学シミュレーション。
• 毛細管平滑化を誘発するため、正方形波型表面トポグラフィーを適用。
• 広い温度範囲にわたる時間経過に伴うパターン振幅の減衰をモニタリングし、減衰率を抽出。
• 層別平均二乗変位の分析により、表面粒子と体積内粒子の拡散を定量的に比較。
• 減衰キネティクスをモード結合理論の予測と比較し、TgおよびTc近傍でのクロスオーバー行動を同定。
• 実際のガラス形成系を用いることで、ポリマーナノ膜などの実験系との関連性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガラス形成性液体において、表面トポグラフィーのパターン減衰率は温度にどのように依存するか？
• RQ2 ガラス転移温度未満において、表面拡散は体積内拡散に対してどの程度顕著に速いか？
• RQ3 系はパターン緩和ダイナミクスにおいて動的クロスオーバーを示すか。その発現を制御する要因は何か？
• RQ4 シミュレーション結果は、ガラスおよびポリマーにおける移動性表面層の実験的観察とどのように一致するか？
• RQ5 界面ダイナミクスは、薄いガラス形成性膜の毛細管平滑化にどのように寄与するか？

主な発見

• パターンの減衰率は、ガラス転移温度（Tg）とモード結合臨界温度（Tc）で囲まれた二つの異なる温度領域の間でクロスオーバーを示す。
• Tg未満では、表面粒子の拡散係数が体積内粒子に比べ最大10⁵倍も高いことが判明し、顕著な移動性表面層の存在を示唆する。
• 観察された表面拡散の増幅要因は、温度上昇に伴い減少する傾向にあり、最近の実験的知見と整合的である。
• 観察された動的クロスオーバーは、モード結合理論の予測と一致し、活性化移動から非アレニウス的緩和行動への転移を示唆する。
• 層別平均二乗変位解析により、ガラス状態であっても表面粒子が強化され、非Fick的拡散を示すことが確認された。