[논문 리뷰] Phase Separation in Soft Matter: Concept of Dynamic Asymmetry

Hajime Tanaka|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 05.

Material Dynamics and Properties인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 연성 물질에서 성분의 운동성 차이(예: 크기 또는 유리 전이 온도)에 의해 유도되는 黏弾성 상분리 현상을 이끌어내는 '동적 이방성'이라는 핵심 개념을 제안한다. 이는 변형률 속도와 가장 느린 기계적 회복 속도 사이의 경쟁에 기반하여, 농도, 속도 및 응력 상호작용을 포함하는 黏弾성 모델을 통해 연성 및 유리성 물질에서의 패턴 형성과 기계적 불안정성을 통합적으로 기술한다.

ABSTRACT

Phase separation is a fundamental phenomenon that produces spatially heterogeneous patterns in soft matter. In this Lecture Note we show that phase separation in these materials generally belongs to what we call "viscoelastic phase separation", where the morphology is determined by the mechanical balance of not only the thermodynamic force (interface tension) but also the viscoelastic force. The origin of the viscoelastic force is dynamic asymmetry between the components of a mixture, which can be caused by either a size disparity or a difference in the glass transition temperature between the components. We stress that such dynamic asymmetry generally exists in soft matter. The key is that dynamical asymmetry leads to a non-trivial coupling between the concentration, velocity, and stress fields. Viscoelastic phase separation can be explained by viscoelastic relaxation in pattern evolution and the resulting switching of the relevant order parameter, which are induced by the competition between the deformation rate of phase separation and the slowest mechanical relaxation rate of a system. We also discuss an intimate link of viscoelastic phase separation, where deformation fields are spontaneously generated by phase separation itself, to mechanical instability (or fracture) of glassy material, which is induced by externally imposed strain fields. We propose that all these phenomena can be understood as mechanically-driven inhomogeneization in a unified manner.

연구 동기 및 목표

• 기본적으로 성분 간 운동성 대칭을 가정하는 고전적 상분리 이론의 한계를 해결하기 위해.
• 크기 또는 Tg의 차이로 인한 동적 이방성이 연성 물질에서 상분리 역학에 어떻게 영향을 주는지 설명하기 위해.
• 연성 및 유리성 물질에서의 黏弾성 상분리, 젤화, 기계적 균열 현상을 통합적으로 이해하기 위해.
• 농도, 속도, 응력장 간의 상호작용을 기록하는 현상학적 黏弾성 모델을 개발하기 위해.
• 변형 또는 상분리 조건에서 기계적 원인에 의한 비균질화를 기반으로 한 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 크기 또는 이완 시간의 큰 격차로 인해 발생하는 연성 물질에서의 동적 이방성을 기본적 특성으로 도입한다.
• 농도 진화를 기술하는 Cahn-Hilliard 방정식과 운동량 및 응력 평형 방정식을 결합한 黏弾성 모델을 개발한다.
• 상분리 시스템에서의 기계적 회복를 기술하기 위해 체적 응력과 비틀림 응력 기여를 모두 통합한다.
• 척도 분석을 통해 상분리의 특징적인 시간스케일(τd)과 기계적 회복 시간스케일(τts)을 관계지어 시스템 거동를 분류한다.
• 비국소적 운반을 기술하는 데 핵심적인 역할을 하는 黏弾성 길이 척도 ξve를 포함하여 패턴 진화 및 불안정성 전환을 예측하기 위해 모델을 적용한다.
• 변형률 속도와 회복 속도 사이의 경쟁을 비교함으로써 상분리와 기계적 균열 간의 유사성을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성분 간의 동적 이방성이 연성 물질에서 상분리 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 黏弾성 힘이 상분리된 구조의 형태를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 농도, 속도, 응력장이 포함된 통합 모델을 통해 어떻게 黏弾성 상분리를 기술할 수 있는가?
• RQ4 변형률 속도와 기계적 회복 속도 사이의 경쟁이 패턴 진화를 어떻게 지배하는가?
• RQ5 유리성 물질에서의 기계적 불안정성 및 균열 현상은 黏弾성 상분리와 같은 프레임워크로 이해될 수 있는가?

주요 결과

• 크기 또는 Tg의 차이로 인한 동적 이방성은 농도, 속도, 응력장 간에 비정상적인 상호작용을 유도하며, 고전적 모델에서의 운동성 대칭성 가정을 깨뜨린다.
• 黏弾성 상분리는 도메인 변형 시간 τd와 가장 느린 기계적 회복 시간 τts 사이의 경쟁에 의해 지배되며, 이로 인해 관련 주요 순서 매개변수의 전환이 발생한다.
• 체적 응력과 비틀림 응력 모두를 포함한 黏弾성 모델은 젤리에서 유리에 이르기까지 연성 물질의 등방성 상분리에 대한 일반적인 기술을 제공한다.
• 상분리는 자발적으로 변형장 생성을 유도하며, 이는 유리성 물질에서 외부 하중 조건 하에서 기계적 불안정성과 균열과 연결된다.
• 상분리와 기계적 균열 간의 유사성은 둘 다 동일한 속도 경쟁(변형 대 회복)에 의해 지배되기 때문에 성립한다.
• 모델은 비대칭 혼합물에서 비국소적 운반 효과를 기술하는 데 핵심적인 역할을 하는 黏弾성 길이 척도 ξve를 식별하며, 이는 표준 유체역학 모델에서 고려되지 않은 요소이다.