[논문 리뷰] Liquid-liquid transition revealed by quasi-static cooling of an ultra-viscous metallic liquid

Simon Hechler, Beatrice Ruta외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 21.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 62인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 초점성의 초냉각 금속 유리 형성체인 Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3에서 준정적 냉각을 통해 극도로 점성이 높은 액체-액체 전이를 규명하였다. 이는 급속 유리화를 억제하고 구조적 교차점의 관찰을 가능하게 한다. X선 광자 상관 분광법과 고에너지 X선 회절을 조합하여, 명백한 상호연결된 액체 상과 관련된 중거리 구조적 질서를 규명하였다.

ABSTRACT

Temperature-driven polyamorphism has been reported in various supercooled liquids and glasses. The dynamical and structural routes followed by the system during such crossovers are however not universal and appear to be related to intrinsic kinetic properties of the liquid. By combining x-ray photon correlation spectroscopy and high energy x-ray diffraction, we have followed the collective atomic motion and structural changes during quasi-static cooling of the Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3 metallic glass-former. Due to this ultra-slow thermal protocol, the glass transition temperature is lowered far enough to reveal a liquid-liquid crossover in the ultra-viscous supercooled phase. This transition is usually hidden by vitrification and leads to a strong liquid characterized by increasing correlation at the medium range.

연구 동기 및 목표

• 유리화가 전이를 가리지 않는 조건에서 금속 유리 형성 액체에서 액체-액체 전이 존재 여부를 조사하기 위해
• 일般적으로 초냉각 액체에서 다형성 전이 관찰을 방해하는 동역학적 제약를 극복하기 위해
• 초저속 냉각 중 액체의 구조적 및 운동적 진화를 특성화하여 중거리 순서 상의 징후를 규명하기 위해
• 전이가 초점성 영역에서 증가한 동적 이질성과 구조적 상관관계와 연관되어 있는지 확인하기 위해

제안 방법

• 유리 전이를 지연시키고 전이 관찰을 가능하게 하기 위해 열역학적 역사를 크게 느리게 하는 준정적 냉각 프로토콜을 적용하였다.
• 초냉각 액체에서 집단 원자 운동을 탐사하고 동적 상관 길이를 측정하기 위해 X선 광자 상관 분광법(XPCS)을 사용하였다.
• 특히 중거리 질서(MRO) 파ameters를 추출하기 위해 고에너지 X선 회절(HEXRD)을 적용하였다.
• XPCS와 HEXRD 데이터를 융합하여 냉각 중 구조적 변화와 운동적 행동의 상관관계를 분석하였다.
• 중간 산란 함수와 구조 인자 변화를 분석하여 새로운 액체 상의 출현을 탐지하였다.
• 동적 상관 길이의 온도 의존성을 사용하여 전이를 나타내는 임계 온도를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 급속 유리화가 억제된 초저속 냉각 조건에서 금속 유리 형성체에서 액체-액체 전이가 관찰될 수 있는가?
• RQ2 초점성 초냉각 상태에서 액체-액체 전이와 함께 나타나는 구조적 및 운동적 징후는 무엇인가?
• RQ3 중거리 질서는 전이 동안 어떻게 진화하며, 동적 이질성과 관련이 있는가?
• RQ4 XPCS로 드러나는 바와 같이, 전이는 원자 운동의 동적 특성에 명백한 변화를 초래하는가?
• RQ5 유리화 이전에 더 질서 잡힌, 강하게 상호연결된 액체 상태로의 전이가 관찰되는가?

주요 결과

• 준정적 냉각 조건에서 초점성의 초냉각 Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3 액체에서 액체-액체 전이가 관찰되었다. 이는 급속 유리화를 억제함으로써 가능했다.
• 전이의 특징은 고에너지 X선 회절 패턴의 변화를 통해 뚜렷한 중거리 구조적 질서 증가로 확인되었다.
• XPCS 측정 결과, 동일한 온도에서 동적 교차점이 나타나며, 동적 이질성 증가와 동적 상관 길이 증가를 시사하였다.
• 전이의 시작은 유리 전이 온도 이하에서 발생하여, 초저속 냉각 조건에서 동역학적으로 관찰 가능한 전이임을 확인하였다.
• 전이는 강하게 상호연결된 액체 상의 출현과 관련되며, 구조적 및 운동적 상관관계가 향상된 상태를 특징으로 하였다.
• XPCS와 HEXRD 데이터의 융합은 이전에 급속 유리화에 의해 가려졌던 금속 유리 형성체에서의 다형성 전이에 직접적인 증거를 제공하였다.