[논문 리뷰] Finite-size effects in the diffusion dynamics of a glass-forming binary mixture with large size ratio

Vinay Vaibhav, Jürgen Horbach외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 24.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 크기 비율이 약 2.85인 유리형성 이성분 혼합물에서 분자동역학 시뮬레이션을 통해 유한 체적 효과가 확산 동역학에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로, 느린 큰 A 입자(다른 입자들보다 느리게 움직이는 입자)의 자기확산계수 DA는 모드결합 임계 밀도 ρc 근처에서 체적 보정 효과가 중심질량 운동에 의해 주로 결정되는 바, 이는 DAB/N 비례로 스케일링된다. A 입자 중심질량에 대해 DA를 보정함으로써 진정으로 강하게 감쇠되는 DA를 회복할 수 있으며, 이는 관측된 약한 확산이 체계 크기의 영향으로 발생하는 가짜 현상임을 보여준다. 이는 강한 동적 이질성이 있는 체계에서 나타나는 현상이다.

ABSTRACT

Extensive molecular dynamics (MD) computer simulations of an equimolar glass-forming AB mixture with large size ratio are presented. While the large A particles show a glass transition around the critical density of mode coupling theory $ ho_c$, the small B particles remain mobile with a relatively weak decrease of their self diffusion coefficient $D_{ m B}$ with increasing density. Surprisingly, around $ ho_c$, the self-diffusion coefficient of the A particles, $D_{ m A}$, also starts to follow a rather weak dependence on density. We show that this is due to finite-size effects that can be understood from the analysis of the collective interdiffusion dynamics.

연구 동기 및 목표

• 모드결합 임계 밀도 ρc 근처에서 유리형성 이성분 혼합물의 큰 입자(다른 입자들보다 느리게 움직이는 입자)의 자기확산계수 DA의 약한 밀도 의존성의 기원을 조사하기 위해.
• 강한 동적 이질성이 있는 체계에서 느린 큰 입자의 관측된 확산 행동을 왜곡시키는 유한 체적 효과를 특정하고 정량화하기 위해.
• 집단적 상호확산(DAB)과 중심질량 운동이 DA에 대한 잘못된 유한 체적 보정을 어떻게 유도하는지 명확히 하기 위해.
• 관측된 DA의 약한 밀도 의존성이 체계 크기의 영향으로 인한 것이며, 특히 작은 시뮬레이션에서 나타나는 현상임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 크기 비율이 약 2.85인 등몰비의 연성 구형 이성분 AB 혼합물에 대한 광범위한 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 큰(A) 및 작은(B) 입자에 대한 자기확산계수 DA 및 DB를 계산하였다.
• 다르켄 방정식을 사용하여 상호확산계수 DAB를 계산하였다: DAB = Φ(xlDs + xsDl), 여기서 Φ는 열역학 인자이다.
• 총 시스템 중심질량이 고정되어 있으므로 제약 조건이 적용된 중심질량(CM) 확산계수 D(A)_cm를 분석하였으며, 이는 DAB/N 비례로 스케일링됨을 확인하였다.
• 입자 이동량을 A 종의 중심질량에 대해 상대적으로 계산하여 진정된 자기확산 행동을 분리하기 위해 DA를 보정하였다.
• 보정되지 않은 DA와 중심질량 보정된 DA를 비교함으로써 유한 체적 효과를 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 유리형성 이성분 혼합물에서 느린 큰 입자들의 자기확산계수 DA는 모드결합 임계 밀도 ρc 근처에서 약한 밀도 의존성을 보이는가?
• RQ2 큰 입자들이 유리 상태로 굳을 것으로 예상되는데도 불구하고, DA의 관측된 약한 밀도 의존성의 기원은 무엇인가?
• RQ3 특히 큰 입자들의 중심질량의 집단 운동이 분자동역학 시뮬레이션에서 측정된 DA 값에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 비례적으로 DB에 비례하는 상호확산계수 DAB는 DA에 대한 유한 체적 보정에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 작은 체계에서 중심질량 운동을 보정함으로써 진정된 본질적 자기확산계수 DA를 회복할 수 있는가?

주요 결과

• ρc 근처에서 DA의 약한 밀도 의존성은 본질적인 것이 아니며, 큰 A 입자 중심질량의 집단 운동에 의해 유도된 유한 체적 효과에서 기인한다.
• DA에 대한 유한 체적 보정은 DAB/N 비례로 스케일링되며, 이는 N(총 입자 수)에 비례하고 DB/N 비례로 되므로, 작은 체계에서 및 ρA ≥ ρA_c 조건에서 지배적이다.
• 상호확산계수 DAB는 다르켄 방정식(DAB = Φ(xlDs + xsDl))으로 잘 기술되며, 고밀도에서 DB에 비례한다.
• A 종의 중심질량에 대해 DA를 보정함으로써 진정된 강하게 감쇠되는 DA를 회복할 수 있으며, 이는 관측된 약한 의존성이 체계 크기의 영향으로 인한 가짜 현상임을 드러낸다.
• 관측된 유한 체적 효과는 강한 동적 이질성이 있는 유리형성 체계에서 일반적인 특성으로, 느린 입자들이 집단적으로 움직이며 중심질량이 빠르게 이동하는 클러스터가 형성되기 때문이다.
• 이 연구는 비슷한 크기의 혼합물에서 작은 시뮬레이션을 수행할 경우, 느린 종의 진정된 확산 행동을 추출하기 위해 중심질량 운동을 반드시 보정해야 한다는 것을 입증한다.