[論文レビュー] The glass transition of hyperquenched glassy water

V. Velikov, S. Borick+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2001

Material Dynamics and Properties参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、超クエンチングされたガラス状態の水のヒステリシス転移温度を、バルクガラス形成体との間で差し引き比較することにより再評価している。136 Kという一般的に受け入れられているTgを用いてスケーリングした場合、水の熱力学的緩和エクソルムは他の超クエンチングガラス形成体で観察される普遍的パターンから著しく逸脱している。そのため、著者らは、ガラス形成体の普遍的挙動と整合性を保つために、水のガラス転移温度を165–170 Kに再設定する必要があると主張している。

ABSTRACT

We review the search for the glass transition in water in its various amorphous forms, and highlight the paradoxes that the search has produced. Focussing on the glassy form of water obtained by hyperquenching, we examine its reported calorimetric properties in the light of new findings for bulk glassformers vitrified by hyperquenching. Like the hyperquenched bulk glassformers, hyperquenched water exhibits a large relaxation exotherm on reheating, as the high enthalpy quenched form relaxes to a lower enthalpy state. When the scanning temperature is scaled by the glass transition temperature, the bulk glassformers show a common pattern in this relaxation exotherm. However, when the relaxation exotherm for hyperquenched water is scaled onto the plot for the bulk glassformers using the commonly accepted glass transition temperature for water, 136K, its behavior appears completely different. If we require that the behavior of water be comparable to the other cases, except for crystallizing before the glass transition (like the majority of hyperquenched metallic glasses), then the glass transition for water must be reset to a value of 165-170K.

研究の動機と目的

• 超クエンチングされたガラス状態の水のガラス転移挙動が他のバルクガラス形成体と比較してどのように矛盾しているかを解明すること。
• 報告された超クエンチング水の熱力学的緩和エクソルムが、他の超クエンチング材料で観察される普遍的スケーリングパターンに適合しない理由を調査すること。
• 水に対して一般的に受け入れられている136 Kというガラス転移温度が、他のガラス形成体の挙動と整合しているかどうかを特定すること。
• 金属ガラスで見られるガラス転移前の結晶化が、水の熱量測定データの解釈に与える影響を評価すること。
• 他のガラス形成体と同様の普遍的緩和ダイナミクスを回復させるために、超クエンチング水の再評価されたガラス転移温度を提案すること。

提案手法

• バルクガラス形成体と同様に、それぞれのガラス転移温度でスケーリングした超クエンチング水の熱力学的緩和エクソルムを比較すること。
• 超クエンチングバルクガラス形成体で観察される緩和エクソルムの普遍的スケーリング挙動を基準基準として用いること。
• 熱走査中に超クエンチング水のエンタルピー緩和キネティクスを分析し、期待される挙動からの逸脱を検出すること。
• バルクガラス形成体に用いられるのと同じ温度スケーリング手法を、超クエンチング水に適用して整合性をテストすること。
• 水の挙動における著しい逸脱が、ガラス転移温度の誤った割り当てに起因しているかどうかを評価すること。
• 結晶化のリスクがあるにもかかわらず、他のガラス形成体と同様の普遍的パターンに一致するように、水のガラス転移温度を再評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 136 Kという一般的に受け入れられているTgを用いてスケーリングした場合、なぜ超クエンチング水の緩和エクソルムが他の超クエンチングガラス形成体で観察される普遍的スケーリングパターンに従わないのか？
• RQ2 他のバルクガラス形成体と同様の緩和挙動を示すために、超クエンチング水に適した正しいガラス転移温度は何か？
• RQ3 水においてガラス転移の前段階で結晶化が生じる場合、その影響が熱量測定データの解釈にどのように作用するのか？
• RQ4 超クエンチング水の高いエンタルピー状態が、他のガラス形成体と比較して緩和ダイナミクスに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 超クエンチングガラス形成体の普遍的緩和挙動を基準として、水のガラス転移温度を再評価することは可能か？

主な発見

• 136 Kという一般的に受け入れられているTgを用いてスケーリングした場合、超クエンチング水の緩和エクソルムはバルクガラス形成体の普遍的スケーリングパターンと一致しない。
• 超クエンチング水の緩和エクソルムを165–170 Kでスケーリングした場合、他の超クエンチングガラス形成体で観察される普遍的パターンと整合的になる。
• 136 Kでの挙動の逸脱は、この値が超クエンチング水のガラス転移温度を正確に表していない可能性を示唆している。
• 著者らは、ガラス形成体の普遍的緩和ダイナミクスと整合性を保つために、超クエンチング水のガラス転移温度を165–170 Kに再設定する必要があると結論づける。
• 165–170 Kという提案されたTgは、超クエンチング水が他のガラス形成体と同様に、再加熱時に共通の緩和挙動を示すという考えと整合する。
• これらの発見は、普遍的ガラス転移スケーリングの文脈において、Tg = 136 Kという標準的な割り当てが、誤りまたは不完全である可能性を示唆している。