[논문 리뷰] Observation of the Anomalously Slow (Power-Law) Relaxation of the System of Interacting Liquid Nanoclusters in the Disordered Confinement of a Random Porous Medium

V. D. Borman, А. А. Белогорлов외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 20.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 압력 해제 후 Libersorb 23의 무질서한 나노포어 내 수분 나노클러스터의 이례적인 느린 회복을 조사한다. 시간에 따라 변화하는 충전도 측정을 통해 약 10⁵ s 동안 지수 α < 0.1인 거듭제곱 법칙 감쇠를 확인하였으며, 이는 연결된 포어 네트워크 내에서 상호작용하는 액체 클러스터에 기인한 것으로 분석되어, 고립된 무질서한 시스템에서의 비평형 역학을 드러낸다.

ABSTRACT

The time evolution of the system of water in the Libersorb 23 (L23) disordered nanoporous medium after the complete filling at excess pressure and the subsequent removal of excess pressure has been studied. It has been found that three stages can be identified in the relaxation of the L23-water system under study. At the first stage, a portion of water at the removal of excess pressure rapidly flows out in the pressure reduction time, i.e., following a decrease in the pressure. It has been shown that, at temperatures below the dispersion transition temperature $T &lt; T_d = 284 K$, e.g., $T = 277 K$, the degree of filling $θ$ decreases from 1 to 0.8 in 10 s, following the variation of excess pressure. At the second stage of relaxation, the degree of filling $θ$ varies slowly according to a power law $θ \sim t^{-α}$ with the exponent $α &lt; 0.1$ in the time $t \sim 10^5$ s. This corresponds to a slow relaxation of the formed metastable state of the nonwetting liquid in the porous medium. At the third stage when $t &gt; 10^5$ s, the formed metastable state decays, which is manifested in the transition to a power-law dependence $θ(t)$ with a larger exponent. The extrusion-time distribution function of pores has been calculated along with the time dependence of the degree of filling, which qualitatively describes the observed anomalously slow relaxation and crossover of the transition to the stage of decay with a power-law dependence $θ(t)$ with a larger exponent. It has been shown that the relaxation and decay of the metastable state of the confined nonwetting liquid at $θ&gt;{θ_c}$ are attributed to the appearance of local configurations of liquid clusters in confinement and their interaction inside the infinite percolation cluster of filled pores.

연구 동기 및 목표

• 압력 해제 후 무질서한 다공성 매질에 갇힌 액체 물의 비평형 회복 역학을 이해하는 것.
• 고립된 비흡수성 액체 상태에서의 이례적인 느린 회복의 물리적 기원을 규명하는 것.
• 충전도(θ)의 시간적 변화를 기록하고, 이를 포어 네트워크 구조와 클러스터 상호작용과 연관짓는 것.
• 장시간에 걸쳐 느린 거듭제곱 법칙 감쇠에서 더 빠른 감쇠로의 전이 메커니즘을 외출 시간 분포 모델링을 통해 설명하는 것.

제안 방법

• 압력 해제 후 Libersorb 23 나노포어 내 수분의 충전도(θ)를 시간에 따라 측정하는 방법.
• 여러 시간 스케일에서 θ(t)를 분석하여 구분 가능한 회복 단계를 식별하는 것.
• 관측된 회복 동역학을 모델링하기 위해 포어의 외출 시간 분포 함수를 계산하는 것.
• 다양한 시간 영역에서 회복 지수를 정량화하기 위해 거듭제곱 법칙 피팅(θ ∼ t⁻ᵅ)을 사용하는 것.
• 장거리 클러스터 상호작용을 가능하게 하는 무한한 연결 클러스터로 구성된 충전된 포어의 구조적 기반을 규명하는 것.
• 실험적 θ(t) 데이터를 클러스터 상호작용과 포어 연결성에 기반한 이론적 예측과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력 해제 후 L23-물 시스템에서의 회복은 어떤 구체적인 단계로 나뉘며, 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 중간 시간 영역에서 왜 α < 0.1인 거듭제곱 법칙 감쇠가 나타나며, 이는 이례적으로 느린 역학을 의미하는가?
• RQ3 고립된 포어 내 액체 나노클러스터 간의 상호작용은 관측된 비지수적 감쇠에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 t > 10⁵ s에서 느린 거듭제곱 법칙 감쇠에서 더 빠른 감쇠로의 전이가 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ5 특히 무한한 연결 클러스터를 포함한 포어 네트워크 구조는 회복 행동을 어떻게 지배하는가?

주요 결과

• T = 277 K (T_d = 284 K 이하)에서, 압력 해제 후 10초 내에 충전도 θ는 1에서 0.8로 감소하여 초기 회복이 빠르게 일어남을 나타낸다.
• t ∼ 10⁵ s 시간 범위에서 θ(t)는 지수 α < 0.1인 거듭제곱 법칙 감쇠를 따르며, 이는 고립된 비흡수성 상태에서 이례적으로 느린 회복을 나타낸다.
• 두 번째 단계는 충전된 포어의 무한한 연결 클러스터 내에 갇힌 상호작용하는 액체 나노클러스터의 집단적 역학에 기인한 것으로 분석된다.
• t > 10⁵ s에서 시스템은 더 빠른 감쇠 영역으로 전이되며, 더 큰 거듭제곱 법칙 지수를 보여, 고립된 상태의 붕괴를 나타낸다.
• 포어의 외출 시간 분포 함수는 관측된 느린 회복과 더 빠른 감쇠로의 전이를 정량적으로 설명한다.
• 고립 상태의 회복은 무질서한 다공성 네트워크 내에서 액체 클러스터의 국소적 구성과 장거리 상호작용에 의해 지배된다.