[논문 리뷰] Non-monotonic effect of confinement---Draft oday]{Non-monotonic effect of confinement on the glass transition

Fathollah Varnik, Thomas Franosch|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 10.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 127인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 액체에서 나노구속 조건이 유리 전이에 미치는 비단조화적 영향을 조사하며, 구조적 리라크스 동역학과 패킹 질서가 짧은 거리 질서와 구속에 의해 유도되는 길이 척도 간의 경쟁으로 인해 비단조화적인 의존성을 보임을 보여준다. 열역학적 및 확산 기반 접근법을 사용하여, 중간 밀도에서는 동역학이 진동하지만 고밀도에서는 집단적 효과로 인해 붕괴됨을 밝혀내며, 나노구조 재료와 구속된 유체 체계에 대한 함의를 제시한다.

ABSTRACT

The relaxation dynamics of glass forming liquids and their structure are influenced in the vicinity of confining walls. In view of the great potential of this effect for applications in those fields of science and industry, where liquids occur under strong confinement (e.g., nano-technology), the number of researchers studying various aspects and consequences of this non-monotonic behaviour has been rapidly growing. This review aims at providing an overview of the research activity in this newly emerging field. We first briefly discuss how competing mechanisms such as packing effects and short-range attraction may lead to a non-monotonic glass transition scenario in the bulk. We then analyse confinement effects on the dynamics of fluids using a thermodynamic route which relates the single particle dynamics to the excess entropy. Moreover, relating the diffusive dynamics to the Widom's insertion probability, the oscillations of the local dynamics with density at moderate densities are fairly well described. At high densities belonging to the supercooled regime, however, this approach breaks down signaling the onset of strongly collective effects. Indeed, confinement introduces a new length scale which in the limit of high densities and small pore sizes competes with the short-range local order of the fluid. This gives rise to a non-monotonic dependence of the packing structure on confinement, with a corresponding effect on the dynamics of structural relaxation. This non-monotonic effect occurs also in the case of a cone-plate type channel, where the degree of confinement varies with distance from the apex. This is a very promising issue for future research with the possibility of uncovering the existence of alternating glassy and liquid-like domains.

연구 동기 및 목표

• 나노구속 조건 하에서의 비단조화적 유리 전이 행동을 이해하기 위해, 특히 구속이 리라크스 동역학과 구조적 질서에 미치는 영향을 분석한다.
• 초저온 유체에서 짧은 거리 질서, 구속 길이 척도, 집단적 효과 간의 상호작용을 조사한다.
• 콘-플레이트 채널과 같은 다양한 구속 기하학이 공간적으로 번갈아가는 유리성 및 액체성 영역을 유도할 수 있는지 분석한다.
• 강한 구속 조건 하에서 열역학적 및 확산 기반 모델이 동역학을 기술하는 데 있어 한계를 평가한다.
• 나노기술 및 재료 과학 분야의 응용을 위해, 유리 형성 액체에서의 구속 효과에 관한 최근 연구에 대한 종합적인 개요를 제공한다.

제안 방법

• 단일 입자 동역학을 초과 엔트로피와 연결하는 열역학적 접근법을 사용하여 구속 효과를 분석한다.
• Widom의 삽입 확률을 사용하여 확산 동역학을 모델링하고, 중간 밀도에서 국소 동역학의 진동 행동을 설명한다.
• 고밀도에서 삽입 확률 모델의 붕괴를 확인하여 강한 집단적 동역학의 시작을 나타낸다.
• 유체 내 짧은 거리 질서와 경쟁하는 구속에 의해 유도된 새로운 길이 척도를 도입한다.
• 콘-플레이트 기하학과 같이 공간적으로 변화하는 구속을 가진 시스템을 분석하여 비단조화적인 구조적 및 동적 반응을 탐구한다.
• 이론적 예측을 실험 관측과 비교하여, 리라크스가 구속에 따라 비단조화적으로 의존하는 것을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노구속은 어떻게 유리 전이가 구속 강도에 따라 비단조화적으로 의존하게 하는가?
• RQ2 중간 밀도에서 국소 동역학의 진동은 무엇으로 인해 발생하며, 고밀도에서는 왜 붕괴되는가?
• RQ3 구속 조건 하에서 짧은 거리 인력과 패킹 간의 경쟁 효과가 어떻게 구조적 리라크스를 변화시키는가?
• RQ4 구속은 어떻게 기존의 짧은 거리 질서와 경쟁하는 새로운 길이 척도를 도입하는가?
• RQ5 콘-플레이트 채널과 같은 공간적으로 변화하는 구속은 번갈아가는 유리성 및 액체성 영역을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 비단조화적 행동은 짧은 거리 질서와 구속에 의해 유도된 길이 척도 간의 경쟁에서 기인한다.
• 중간 밀도에서는 국소 동역학의 진동 행동이 Widom의 삽입 확률 모델로 잘 기술된다.
• 초저온 상태의 고밀도 영역에서 삽입 확률 모델은 실패하며, 강한 집단적 동역학의 시작을 시사한다.
• 구속은 짧은 거리 질서와 경쟁하는 새로운 길이 척도를 도입하여 비단조화적인 패킹 구조와 동역학을 유도한다.
• 비단조화적 효과는 콘-플레이트 채널과 같은 기하학적으로 변화하는 구속에서도 유지되며, 유리성 및 액체성 행동의 공간적 조절 가능성을 제공한다.
• 연구 결과는 나노구속을 활용하여 구속된 유체에서 동적 이질성을 공학할 수 있음을 시사하며, 나노기술 및 재료 설계에 대한 함의를 지닌다.