[論文レビュー] Observation of the Anomalously Slow (Power-Law) Relaxation of the System of Interacting Liquid Nanoclusters in the Disordered Confinement of a Random Porous Medium

V. D. Borman, А. А. Белогорлов+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Material Dynamics and Properties参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、圧力解放後のLibersorb 23の不規則なナノポーラに閉じ込められた水ナノクラスターの異常な遅い緩和を調査する。時間分解充填度測定を用いて、約10⁵ sの期間にわたり指数α < 0.1のべき乗則減衰を特定し、それが連結したポーラスネットワーク内での相互作用を示す液体クラスターに起因することを明らかにした。これにより、閉じ込められ、不規則な系における非平衡的ダイナミクスが判明した。

ABSTRACT

The time evolution of the system of water in the Libersorb 23 (L23) disordered nanoporous medium after the complete filling at excess pressure and the subsequent removal of excess pressure has been studied. It has been found that three stages can be identified in the relaxation of the L23-water system under study. At the first stage, a portion of water at the removal of excess pressure rapidly flows out in the pressure reduction time, i.e., following a decrease in the pressure. It has been shown that, at temperatures below the dispersion transition temperature $T &lt; T_d = 284 K$, e.g., $T = 277 K$, the degree of filling $θ$ decreases from 1 to 0.8 in 10 s, following the variation of excess pressure. At the second stage of relaxation, the degree of filling $θ$ varies slowly according to a power law $θ \sim t^{-α}$ with the exponent $α &lt; 0.1$ in the time $t \sim 10^5$ s. This corresponds to a slow relaxation of the formed metastable state of the nonwetting liquid in the porous medium. At the third stage when $t &gt; 10^5$ s, the formed metastable state decays, which is manifested in the transition to a power-law dependence $θ(t)$ with a larger exponent. The extrusion-time distribution function of pores has been calculated along with the time dependence of the degree of filling, which qualitatively describes the observed anomalously slow relaxation and crossover of the transition to the stage of decay with a power-law dependence $θ(t)$ with a larger exponent. It has been shown that the relaxation and decay of the metastable state of the confined nonwetting liquid at $θ&gt;{θ_c}$ are attributed to the appearance of local configurations of liquid clusters in confinement and their interaction inside the infinite percolation cluster of filled pores.

研究の動機と目的

• 圧力解放後の不規則な多孔質媒体に閉じ込められた液体水の非平衡的緩和ダイナミクスを理解すること。
• 閉じ込められた状態における不活性で湿潤性のない液体状態の異常な遅い緩和の物理的起源を特定すること。
• 充填度（θ）の時間発展を特徴付け、ポーラスネットワーク構造とクラスター相互作用と関連付けること。
• 長時間における緩和の遅いべき乗則減衰から速い減衰への遷移を、抜去時間分布関数のモデル化によって説明すること。

提案手法

• 完全に充填された後、圧力解放後のLibersorb 23ナノポーラ内の水の充填度（θ）の時間分解測定。
• 複数の時間スケールにおけるθ(t)の分析により、明確に区別できる緩和段階の特定。
• 観測された緩和キネティクスをモデル化するため、ポーラスの抜去時間分布関数の計算。
• 異なる時間領域における緩和指数を定量化するため、べき乗則フィッティング（θ ∼ t⁻ᵅ）の使用。
• 無限大の連結クラスターとしての充填ポーラスの集合体が、長距離にわたるクラスター相互作用を可能にする構造的フレームワークであると特定。
• クラスター相互作用とポーラス連結性に基づく理論的予測と、実験的θ(t)データの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力解放後のL23-水系における緩和の明確な段階は何か？ また、それらは時間とともにどのように変化するか？
• RQ2 中間時間領域でなぜα < 0.1のべき乗則緩和が観察され、異常な遅いダイナミクスが示されるのか？
• RQ3 閉じ込められたポーラス内での液体ナノクラスター間の相互作用は、観察された非指数的緩和にどのように寄与するか？
• RQ4 t > 10⁵ sでなぜ遅いべき乗則減衰から速い減衰への遷移が生じるのか？
• RQ5 特に無限大の連結クラスターを含むポーラスネットワーク構造は、緩和行動をどのように支配するか？

主な発見

• T = 277 K（T_d = 284 K未満）では、圧力解放直後10秒間で充填度θが1から0.8に減少し、初期の急速な緩和が示された。
• t ∼ 10⁵ sの時間範囲では、θ(t)は指数α < 0.1のべき乗則減衰を示し、不安定で湿潤性のない状態の異常な遅い緩和を示している。
• 第二段階は、充填ポーラスの無限大連結クラスター内に閉じ込められた相互作用を示す液体ナノクラスターの集団的ダイナミクスに起因するとされる。
• t > 10⁵ sでは、より大きなべき乗則指数を示す、より速い減衰領域に移行し、不安定状態の崩壊が示された。
• ポーラスの抜去時間分布関数は、観測された遅い緩和および速い減衰への遷移を定量的に説明している。
• 不安定状態の緩和は、液体クラスターの局所的配置と、不規則な多孔質ネットワーク内での長距離相互作用によって支配されている。