[論文レビュー] Phase separation kinetics of a symmetric binary mixture of glass-forming liquids

Yuri Oku, Kyohei Takae+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2020

Material Dynamics and Properties参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、A-AおよびB-Bの両方に同一のLennard-Jones相互作用と、完全に反発的なA-B相互作用を持つ対称な二成分ガラス形成液体混合系における相分離動態を、分子動力学シミュレーションを用いて調査した。その結果、ガラス転移温度未満では、ドメイン成長が対数的またはそれ以下の速度にまで遅くなり、老化に類似た微視的動的挙動に駆動されることが明らかになった。粗大化の力学は流体力学的効果と分離しており、極めて遅い進行に対しても動的スケーリングが成立していることと一致している。

ABSTRACT

Mixtures of glass-forming fluids sometimes exhibit glass-glass phase separation at low temperatures. Here, we use a molecular dynamics simulation to study one of the simplest examples of the glass-glass phase separation. We consider a mixture composed of type A and B particles, in which the A-A and B-B interactions are the identical Lennard-Jones interactions and the A-B interaction is repulsive only. To avoid crystallization, we also introduce the polydispersity in the particle sizes for each component. We study the phase separation kinetics of this model at a 50:50 concentration at various temperatures. We find that hydrodynamic coarsening takes place when the temperature is higher than the onset temperature of the glassy dynamics. At lower temperatures, diffusive coarsening is observed over a long duration, and a further slower coarsening appears within a shorter time. Below the glass transition temperature, the domain growth does not stop but becomes logarithmically slow or even slower than logarithmic. By analyzing two-time correlation functions, we show that these slow coarsening processes are accompanied by a slowing down of the microscopic dynamics, which has qualitative similarities with the aging dynamics without phase separation. Based on the results, we discuss a possible link between the slow coarsening and the aging-like microscopic slowing down in the glass-glass phase separation.

研究の動機と目的

• 制御された条件下におけるガラス形成液体の対称的二成分混合系における相分離動態の理解を図ること。
• ガラス的動的挙動、特に遅い動的挙動の出現とガラス転移の影響が、相分離中のドメイン成長に与える影響を調査すること。
• ガラス的動的挙動が存在する中で、流体力学的および拡散的粗大化メカニズムの違いを特定すること。
• ガラス的状態における微視的緩和動的挙動と巨視的ドメイン進化との関係を検討すること。
• 超遅い粗大化領域における動的スケーリングが成立するかどうかを評価すること。

提案手法

• A-AおよびB-B相互作用を同一のLennard-Jonesポテンシャルでモデル化した二成分系の分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
• 結晶化を防ぐためにサイズの多分散性を導入しつつも、対称性を維持した。
• 共存温度および相境界を決定するために、準グランドカノニカルモンテカルロシミュレーションを用いた。
• 重要な温度を定義した：$T_{\rm onset}$（ガラス的動的挙動の開始温度）および$T_{\rm g,sim}$（シミュレーションにおけるガラス転移温度）。
• 構造因子の一次モーメントおよび弦長法を用いてドメインサイズを測定し、動的スケーリングの妥当性を検証した。
• 二時間相関関数を分析して、微視的緩和動的挙動および老化行動を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガラス転移温度未満を含めた、異なる温度領域における相分離動態の進化はどのように変化するか？
• RQ2 ガラス的状態におけるドメイン成長の性質は何か——拡散的、流体力学的、あるいは新たな粗大化則に従うか？
• RQ3 ガラス的状態における遅い粗大化は、純粋なガラス形成体における老化に類似した微視的挙動によってどれほど駆動されているか？
• RQ4 超遅い粗大化領域におけるドメイン構造に対して、動的スケーリングが成立するか？
• RQ5 濃度場の存在が、均一なガラス形成系と比較して微視的緩和にどのような影響を与えるか？

主な発見

• T > T_{\rm onset} の領域では、ドメイン成長が流体力学的粗大化に従い、\xi \propto t^{2/3} と表され、流体力学的輸送が支配的であることが示された。
• T_{\rm onset} > T > T_{\rm g,sim} の領域では、一時的な弱いべき乗則的成長が観察され、その後拡散的粗大化 \xi \propto t^{1/3} にクロスオーバーした。
• T_{\rm g,sim} 未満では、ドメイン成長が対数的またはそれ以下の速度にまで遅くなり、シミュレーション時間内に飽和の兆しを示さなかった。
• 極めて遅い進行に対しても、構造因子は単一のスケーリング関数を示し、自己相似的なドメイン形態であることを示す動的スケーリングを示した。
• T_{\rm onset} 未満では、微視的挙動に強い待ち時間依存性が見られ、純粋なガラス形成体における老化に類似していたが、均一系と比較して緩和が速かった。
• 遅い粗大化は流体力学的効果と分離しており、むしろ局所的動的挙動の老化に類似た遅れと関連していた。これは、修正されたCahn-Hilliardモデルによって裏付けられた。