[論文レビュー] Stretched Exponential Relaxation of Glasses: Origin of the Mixed Alkali Effect

Yingtian Yu, John C. Mauro+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2018

Glass properties and applications参考文献 8被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、室温における混合アルカリケイ酸ガラスの長期的緩和が、局所的な応力を持つ構造的不安定性に起因する拡散・トラップ機構によって生じることを明らかにした。エネルギー緩和と体積緩和のそれぞれに、異なる伸び率指数 β = 3/5 および β = 3/7 が観察された。緩和速度が最大になるのは、アルカリイオン濃度が等しいときであり、これは応力の大きさと濃度の最適なバランスに起因する。

ABSTRACT

Although it is indeed commonly believed that, as frozen supercooled liquids, glasses should continue to flow over the years (e.g., in the case of the stained-glass windows of medieval cathedrals), the dramatic increase of their viscosity below the glass transition temperature suggests, on the contrary, that their relaxation time is on the order of 10$^{32}$ years at room temperature. However, a recent study conducted by Mauro et al. reported the intriguing dynamics of the relaxation of a commercial Corning Gorilla Glass at room temperature, over 1.5 years. Here, we report a novel atomistic simulation method allowing us to directly access the long-term (years) dynamics of glass relaxation at room temperature. Based on the simulation of a series of mixed alkali silicate glasses, we demonstrate that room-temperature relaxation is a direct consequence of the mixed alkali effect. Although both volume and energy feature a stretched exponential relaxation, our results reveal a bifurcation of the stretching exponents, with $β$ = 3/5 and 3/7 for energy and volume relaxation, respectively. Relaxation is found to occur through the diffusion of local stressed structural instabilities inside the atomic network, which anneal each other when a compressed atomic unit meets one that is under tension. The driving force for such diffusion-trap relaxation mechanism is found to be at a maximum when the concentrations of each alkali atom equal each other, which arises from a balance between the concentration of each alkali atom and the magnitude of the local stress that they undergo.

研究の動機と目的

• 室温における混合アルカリケイ酸ガラスの長期的構造的緩和の起源を理解すること。
• 混合アルカリ効果が緩和ダイナミクスをどのように支配するかを調査すること。
• ガラスにおける伸び率指数関数的緩和の微視的メカニズムを特定すること。
• 緩和がアルカリイオン濃度のバランスにどのように依存するかを定量すること。
• 局所的原子応力とマクロな緩和挙動との間の関係を確立すること。

提案手法

• 長期間にわたる（数年間）の混合アルカリケイ酸ガラスのモデル化に、原子スケール分子動力学シミュレーションを用いた。
• 構造的進化、エネルギー、体積の変化を追跡することで、緩和挙動を評価した。
• 拡散・トラップ機構が同定され、応力を持つ構造ユニットが移動し、相互作用することで緩和される仕組みが明らかになった。
• エネルギーおよび体積緩和の両方に、伸び率指数関数的関数へのフィットから伸び率指数 β を抽出した。
• アルカリイオン濃度比が緩和速度に与える影響を体系的に分析した。
• 緩和の駆動力が、局所的応力とアルカリ濃度のバランスに起因することを関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温における混合アルカリガラスで観察される伸び率指数関数的緩和の原因は何ですか？
• RQ2 混合アルカリ効果は、ガラスの長期的構造的緩和にどのように影響しますか？
• RQ3 混合アルカリケイ酸ガラスにおける緩和を引き起こす微視的メカニズムは何か？
• RQ4 なぜアルカリイオン濃度が等しいときに緩和速度が最大になるのですか？
• RQ5 エネルギー緩和と体積緩和は、伸び率指数やダイナミクスにおいてどのように異なりますか？

主な発見

• 室温における混合アルカリケイ酸ガラスの緩和は、エネルギー緩和に対して β = 3/5、体積緩和に対して β = 3/7 という異なる伸び率指数を有する伸び率指数関数的関数に従う。
• 緩和メカニズムは、原子ネットワーク内での局所的応力を持つ構造的不安定性の拡散および相互消滅によって駆動されている。
• 2種類のアルカリイオン濃度が等しいときに緩和速度が最大となり、これは応力の大きさと濃度の最適なバランスに起因する。
• 拡散・トラッププロセスの駆動力は、等モルのアルカリ濃度で最も高くなるため、緩和ダイナミクスのピークが説明できる。
• シミュレーションは年単位のダイナミクスを直接アクセスでき、室温での緩和が実在の測定可能な現象であることを確認した。
• 局所的原子応力とイオン濃度の相互作用に基づく、混合アルカリ効果の統一的説明が得られた。