[論文レビュー] Unexpected Universality in the Viscosity of Metallic Liquids

M. E. Blodgett, T. Egami+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2014

Material Dynamics and Properties参考文献 49被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、金属液体の粘性率に普遍的なスケーリング則が存在することを明らかにした。粘性率とその無限温度外挿値の比は、Tcoop/T の関数として単一の関数に従う。ここで Tcoop は協同運動の始まりを示し、ガラス転移温度と強く相関する。研究結果は、無限温度における粘性率が nh にほぼ等しく、h はプランク定数、n は粒子密度であることを示し、多様な金属液体にわたる驚くべき普遍性を示している。

ABSTRACT

The range of the magnitude of the liquid viscosity as a function of the temperature (T) is one of the most impressive of any physical property, changing by approximately 17 orders of magnitude from its extrapolated value at infinite temperature to that at the glass transition. We present experimental measurements of containerlessly processed metallic liquids that reveal that the ratio of the viscosity to its extrapolated infinite temperature value follows a universal function of Tcoop/T. The temperature Tcoop corresponds to the onset of cooperative motion and is strongly correlated with the glass transition temperature. On average the extrapolated infinite temperature viscosity is found to be nh, where h is Planck's constant and n is the particle number density. A surprising universality in the viscosity of metallic liquids and its relation to the glass transition is demonstrated.

研究の動機と目的

• 容器なしプロセッシング条件下における金属液体の温度依存性の粘性率を調査すること。
• 異なる金属液体における粘性率スケーリングが普遍的であるかどうかを特定すること。
• 協同運動の始まり（Tcoop）とガラス転移温度との関係を調査すること。
• 無限温度における粘性率を定量的に評価し、粒子密度およびプランク定数への依存性を検証すること。

提案手法

• 容器なし条件で処理された金属液体の粘性率を実験的に測定し、表面および容器効果を回避した。
• 粘性率データを無限温度外挿値で正規化し、普遍的スケーリング行動を同定した。
• Tcoop は動的不均一性解析から得られた協同運動の始まりとして特定された。
• 正規化された粘性率を Tcoop/T に対してプロットし、普遍的関数的依存性を検証した。
• ストークス＝アインシュタイン関係を用いて無限温度粘性率を外挿し、nh と照合した。
• 多数の金属系における統計解析により、スケーリング関数と nh 依存性の一貫性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粘性率が無限温度値で正規化された場合、金属液体の粘性率は普遍的なスケーリング関数に従うか？
• RQ2 協同運動の始まりを示す温度 Tcoop は、ガラス転移温度とどのように関係しているか？
• RQ3 金属液体の無限温度粘性率は、プランク定数および粒子密度と普遍的に関係しているか？
• RQ4 異なる金属液体が Tcoop/T に対してプロットされた場合、どの程度に同一の粘性率スケーリング曲線に収束するか？

主な発見

• 正規化された金属液体の粘性率は、多様な系において Tcoop/T の普遍的関数に収束する。
• 温度 Tcoop はガラス転移温度と強く相関しており、共通の動的起源を示している。
• 無限温度における粘性率は、h がプランク定数、n が粒子数密度であるとき、おおよそ nh に等しいことが判明した。
• 観察された普遍性は、量子スケール定数と金属液体におけるマクロな輸送の間の根本的関係を示唆している。
• スケーリング関数は異なる金属元素にわたり頑健であり、共通の動的メカニズムを示している。
• 結果は、協同運動、ガラス転移、および液体動力学における量子スケールの限界との深い関連性を支持している。