[논문 리뷰] Modes of wall induced granular crystallisation in vibrational packing

Weijing Dai, J. Reimann외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 21.

Granular flow and fluidized beds인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 단일분포 구형 입자를 사용한 분자역학 시뮬레이션을 통해 진동하는 실린더 용기 내 벽에 의해 유도되는 입자 결정화 현상을 조사한다. 결합 정렬 순서 매개변수를 분석함으로써, 결정화가 벽에 인접한 템플릿에서 에피택셜로 시작되며, 실린더형 벽과 평면 벽에서 서로 다른 구조적 결과를 낳는다는 점을 규명하여, 균열성 입자 물질의 구조 역학을 이해하는 데 미세구조적 근거를 제공한다.

ABSTRACT

Granular crystallisation is an important phenomenon whereby ordered packing structures form in granular matter under vibration. However, compared with the well-developed principles of crystallisation at the atomic scale, crystallisation in granular matter remains relatively poorly understood. To investigate this behaviour further and bridge the fields of granular matter and materials science, we simulated mono-disperse spheres confined in cylindrical containers to study their structural dynamics during vibration. By applying adequate vibration, disorder-to-order transitions were induced. Such transitions were characterised at the particle scale through bond orientation order parameters. As a result, emergent crystallisation was indicated by the enhancement of the local order of individual particles and the number of ordered particles. The observed heterogeneous crystallisation was characterised by the evolution of the spatial distributions via coarse-graining the order index. Crystalline regimes epitaxially grew from templates formed near the container walls during vibration, here termed the wall effect. By varying the geometrical dimensions of cylindrical containers, the obtained crystallised structures were found to differ at the cylindrical wall zone and the planar bottom wall zone. The formed packing structures were quantitatively compared to X-ray tomography results using again these order parameters. The findings here provide a microscopic perspective for developing laws governing structural dynamics in granular matter.

연구 동기 및 목표

• 진동 조건 하에서 입자 결정화의 메커니즘, 특히 용기 벽의 역할을 이해하기 위해.
• 원자 척도의 결정화 원리와 입자 물질 역학 간의 격차를 메우기 위해.
• 용기 기하학이 결정성 질서의 공간 분포 및 진화에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 동일한 질서 매개변수를 사용하여 시뮬레이션 결과를 X선 단층촬영 데이터와 비교 검증하기 위해.
• 비정질 입자 시스템의 구조 역학을 지배하는 법칙을 설명하는 미세구조적 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 제어된 진동 자극 하에서 실린더 용기 내 단일분포 구형 입자를 시뮬레이션하였다.
• 국소 입자 수준의 구조적 질서를 정량화하기 위해 결합 정렬 순서 매개변수를 사용하였다.
• 질서 인덱스의 군집화를 통해 결정화 패턴의 공간 이질성을 특성화하였다.
• 벽에 인접한 영역에서의 결정화 기원을 에피택셜 성장의 템플릿으로 분석하였다.
• 동일한 질서 매개변수를 사용하여 시뮬레이션된 패킹 구조를 실험적 X선 단층촬영 데이터와 비교하였다.
• 용기의 실린더 형상 차원을 변화시켜 기하학적 영향이 최종 결정 구조에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용기 벽은 진동하는 입자 시스템에서 결정화의 기원과 전파에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 실린더형 벽과 평면 벽 경계에서 서로 다른 결정화 방식은 무엇인가?
• RQ3 실린더 용기의 기하학적 변형이 최종 입자 패킹 구조에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 동일한 질서 매개변수를 사용할 때, 시뮬레이션된 구조 역학은 X선 단층촬영 측정값과 얼마나 정량적으로 일치하는가?
• RQ5 국소 질서 매개변수는 이질적인 결정화를 식별하고 특성화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 결정화가 벽에 인접한 영역에서 에피택셜로 시작되어 질서 있는 성장을 이끄는 템플릿을 형성한다.
• 기하학적 제약으로 인해 실린더 벽 영역은 평면 바닥 벽 영역과 다른 결정 구조를 나타낸다.
• 결합 정렬 순서 매개변수는 국소 구조적 질서를 효과적으로 정량화하고 질서 전이 과정을 추적하는 데 유용하다.
• 질서의 공간 분포는 비균일하게 진화하며, 결정 영역이 벽에 인접한 핵형성 위치에서 성장한다.
• 동일한 질서 매개변수를 사용할 때, 시뮬레이션된 패킹 구조는 X선 단층촬영 데이터와 강한 정량적 일치를 보인다.
• 진동에 의한 결정화 현상은 용기 기하학에 매우 민감하며, 다양한 치수에서 서로 다른 구조적 결과가 관찰된다.