[논문 리뷰] Effect of Annealed Disorder on Phase Separation Kinetics and Aging Phenomena in Fluid Mixtures

Rounak Bhattacharyya, Bhaskar Sen Gupta|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 06.

Block Copolymer Self-Assembly참고 문헌 56인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 열처리된 불순물이 이분류 혼합물의 상분리 및 노화에 미치는 영향을 조사한다. 불순물로 인해 도메인 성장 속도가 크게 저하되고, 척도 지수는 변화하며, 상관 함수에서 Porod 법칙을 따르지 않는 행동이 나타나지만, 노화 동역학은 감소된 붕괴 속도에도 불구하고 강력한 척도 법칙을 따름을 발견한다.

ABSTRACT

We use state-of-the-art molecular dynamics simulations to study the effects of annealed disorder on the phase separating kinetics and aging phenomena of a segregating binary fluid mixture. In the presence of disorder, we observe a dramatic slowing down in the phase separation dynamics. The domain growth follows the power-law with a disorder-dependent exponent. Due to the energetically favorable positions, the domain boundary roughens which modifies the correlation function and structure factor to a non-Porod behavior. The correlation function and structure factor provide clear evidence that the superuniversality does not hold in our system. The role of annealed disorder on the non-equilibrium aging dynamics is studied qualitatively by computing the two-time order parameter autocorrelation function. The decay of the correlation function slows down significantly with the disorder. This quantity exhibits scaling laws with respect to the ratio of the domain length at the observation time and the age of the system. We find the scaling laws hold good for the disordered system and therefore, robust and generic to such segregating fluid mixtures.

연구 동기 및 목표

• 이분류 유체 혼합물에서 열처리된 불순물이 상분리 동역학에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 불순물이 비평형 시스템에서 도메인 성장 동역학과 형태에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 두 시간 상관 함수를 통해 불순물이 있는 유체 혼합물에서의 노화 현상을 분석하기 위해.
• 척도 법칙이 불순물이 있는 시스템에서 유효한지 확인하고 초우도성 붕괴 여부를 평가하기 위해.
• 통제된 열처리된 불순물을 통해 상분리 동역학을 조절할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 모든 이온이 이동 가능한(열처리된) 불순물을 포함한 대칭적인 이분류 유체 혼합물을 모델링하기 위해 최신 기술의 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하였다.
• 두 점의 동시간 상관 함수 Cψψ(⃗r, t)를 통해 도메인 성장을 추적하고, 특징적인 길이 척도 ℓ(t)를 추출하였다.
• 노화 동역학을 탐색하기 위해 두 시간 순서 매개변수 자가상관 함수 Cag(t, tw)를 계산하였다.
• t/tw 및 ℓ/ℓw에 대한 Cag(t, tw)의 척도 행동을 분석하여 초우도성과 강성의 타당성을 시험하였다.
• Porod 법칙 및 초우도성의 편차를 탐지하기 위해 구조 인자 및 상관 함수 분석을 사용하였다.
• 불순물 농도를 변화시켜 성장 지수 및 동적 척도에 미치는 영향을 연구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열처리된 불순물은 상분리 유체 혼합물에서 도메인 성장 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이동 가능한 불순물 존재 시 거듭제곱 법칙 성장 ℓ(t) ∼ t^α에서 척도 지수 α가 어떻게 변화하는가?
• RQ3 어느 정도 열처리된 불순물로 인해 상분리에서 초우도성이 붕괴되며, 상관 함수 및 구조 함수의 편차로 나타나는가?
• RQ4 Cag(t, tw)로 측정된 노화 동역학은 불순물 농도 증가에 어떻게 반응하는가?
• RQ5 노화에 대한 Fisher-Huse 척도 법칙은 불순물이 있는 유체 시스템에서 유효한가, 그리고 이 척도는 강력한가?

주요 결과

• 열처리된 불순물로 인해 상분리 동역학이 극적으로 저하되며, 불순물 농도에 따라 변화하는 지수를 가진 거듭제곱 법칙에 따라 도메인 성장이 진행된다.
• 에너지적으로 유리한 불순물 위치로 인해 도메인 경계가 거칠어지며, 이로 인해 구조 인자 및 상관 함수에서 Porod 법칙을 따르지 않는 감쇠 행동이 나타난다.
• 초우도성이 위반되며, 순수 시스템에서 예상되는 보편적 척도 행동과는 다르게 상관 함수 및 구조 인자가 편차를 보인다.
• 두 시간 자가상관 함수 Cag(t, tw)는 t/tw 및 ℓ/ℓw에 대해 척도 행동을 보이며, 이는 불순물이 있는 시스템에서 강력한 척도 법칙이 성립함을 확인한다.
• 불순물 농도 증가에 따라 노화 동역학이 크게 느려지며, Cag(t, tw)의 붕괴 속도가 느려지고, 유체역학 영역에서는 지수 감쇠가 관찰된다.
• 모든 불순물 농도에서 척도 법칙이 유지되며, 이는 열처리된 불순물을 포함한 분리되는 유체 혼합물에서 이 법칙의 일반성과 강성을 시사한다.