[論文レビュー] Phase Separation in Soft Matter: Concept of Dynamic Asymmetry

Hajime Tanaka|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2013

Material Dynamics and Properties被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ソフトマターにおける『ダイナミックアシンメトリー』—成分の動的性質（たとえばサイズやガラス転移温度）の違いが、粘弾性的相分離を引き起こす—という重要な概念を導入する。本研究では、変形速度と最も遅い機械的緩和の間の競合が、粘弾性モデルを通じて、ソフトマターおよびガラス状物質におけるパターン形成と機械的不安定性を統一的に記述することを提唱する。このモデルは、濃度、速度、応力の結合を組み込む。

ABSTRACT

Phase separation is a fundamental phenomenon that produces spatially heterogeneous patterns in soft matter. In this Lecture Note we show that phase separation in these materials generally belongs to what we call "viscoelastic phase separation", where the morphology is determined by the mechanical balance of not only the thermodynamic force (interface tension) but also the viscoelastic force. The origin of the viscoelastic force is dynamic asymmetry between the components of a mixture, which can be caused by either a size disparity or a difference in the glass transition temperature between the components. We stress that such dynamic asymmetry generally exists in soft matter. The key is that dynamical asymmetry leads to a non-trivial coupling between the concentration, velocity, and stress fields. Viscoelastic phase separation can be explained by viscoelastic relaxation in pattern evolution and the resulting switching of the relevant order parameter, which are induced by the competition between the deformation rate of phase separation and the slowest mechanical relaxation rate of a system. We also discuss an intimate link of viscoelastic phase separation, where deformation fields are spontaneously generated by phase separation itself, to mechanical instability (or fracture) of glassy material, which is induced by externally imposed strain fields. We propose that all these phenomena can be understood as mechanically-driven inhomogeneization in a unified manner.

研究の動機と目的

• 古典的相分離理論が成分間の動的対称性を仮定しているという限界に対処すること。
• サイズやTgの違いによって生じるダイナミックアシンメトリーが、ソフトマターにおける相分離ダイナミクスにどのように影響するかを説明すること。
• ソフトマターおよびガラス状物質における粘弾性的相分離、ゲル化、機械的破壊の理解を統合すること。
• 濃度、速度、応力場の結合を捉える、現象論的粘弾性モデルを構築すること。
• 変形または相分離の下で材料に機械的駆動による不均一化が生じるフレームワークを確立すること。

提案手法

• サイズや緩和時間の大きな差異によって生じる、ソフトマターにおけるダイナミックアシンメトリーを根本的特徴として導入する。
• 濃度の時間発展を記述するカーン＝ヒリャール方程式と運動量保存および応力平衡方程式を結合する粘弾性モデルを構築する。
• 相分離系における機械的緩和を記述するため、体積力およびせん断応力の両方の寄与を組み込む。
• スケーリング議論を用いて、相分離の特徴的時定数τdと機械的緩和の特徴的時定数τtsを関連づけ、系の挙動を分類する。
• モデルを用いてパターンの進化と不安定性のスイッチングを予測し、非局所的輸送を記述するための粘弾性的長尺度ξveの役割を明らかにする。
• 変形速度と緩和速度の競合を比較することで、相分離と機械的破壊の類似性を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 成分間のダイナミックアシンメトリーが、ソフトマターにおける相分離ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ2 粘弾性的力が、相分離構造の形態に果たす役割は何か？
• RQ3 濃度、速度、応力場を含む統一的モデルを用いて、粘弾性的相分離をどのように記述できるか？
• RQ4 変形速度と機械的緩和速度の競合が、パターンの進化をどのように支配するか？
• RQ5 ガラス状物質における機械的不安定性および破壊は、粘弾性的相分離と同じフレームワークで理解できるか？

主な発見

• サイズやTgの違いによって生じるダイナミックアシンメトリーは、濃度、速度、応力場の非自明な結合を引き起こし、古典的モデルにおける動的対称性の仮定を破る。
• 粘弾性的相分離は、ドメインの変形時定数τdと最も遅い機械的緩和時定数τtsの間の競合によって支配され、関連する秩序パラメータが切り替わる。
• 体積力およびせん断応力の両方を組み込んだこの粘弾性モデルは、ゲルからガラスに至るまで、ソフトマターにおける等方的相分離を普遍的に記述する。
• 相分離は自発的に変形場を生成でき、これは、ひずみを受けるガラス状物質における機械的不安定性および破壊と関連している。
• 相分離と機械的破壊の類似性が成り立つのは、両者ともに同じ競合、すなわち変形対緩和の速度の競合によって支配されるからである。
• モデルは、動的非対称混合系における非局所的輸送効果を捉えるために、粘弾性的長尺度ξveが極めて重要であると特定する。これは、標準的な流体力学的モデルでは考慮されていない。