[논문 리뷰] Phase separation kinetics of a symmetric binary mixture of glass-forming liquids

Yuri Oku, Kyohei Takae외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 05.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 동일한 A-A 및 B-B Lennard-Jones 상호작용과 순수하게 반발성인 A-B 상호작용을 갖는 유리형 액체의 대칭 이성분 혼합물에서 분리 상전이 동역학을 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 조사한다. 유리 전이 온도 이하에서는 도메인 성장 속도가 로그적으로 느려지거나 그 이하로 느려지며, 노화와 유사한 미시적 동역학에 의해 이끌리며, 유체역학적 효과와는 분리되어 있고, 극도로 느린 속도에서도 동적 스케일링과 일관되다.

ABSTRACT

Mixtures of glass-forming fluids sometimes exhibit glass-glass phase separation at low temperatures. Here, we use a molecular dynamics simulation to study one of the simplest examples of the glass-glass phase separation. We consider a mixture composed of type A and B particles, in which the A-A and B-B interactions are the identical Lennard-Jones interactions and the A-B interaction is repulsive only. To avoid crystallization, we also introduce the polydispersity in the particle sizes for each component. We study the phase separation kinetics of this model at a 50:50 concentration at various temperatures. We find that hydrodynamic coarsening takes place when the temperature is higher than the onset temperature of the glassy dynamics. At lower temperatures, diffusive coarsening is observed over a long duration, and a further slower coarsening appears within a shorter time. Below the glass transition temperature, the domain growth does not stop but becomes logarithmically slow or even slower than logarithmic. By analyzing two-time correlation functions, we show that these slow coarsening processes are accompanied by a slowing down of the microscopic dynamics, which has qualitative similarities with the aging dynamics without phase separation. Based on the results, we discuss a possible link between the slow coarsening and the aging-like microscopic slowing down in the glass-glass phase separation.

연구 동기 및 목표

• 통제된 조건에서 유리형 액체의 대칭 이성분 혼합물에서 상분리 동역학을 이해하기 위해.
• 특히 느린 동역학과 유리 전이의 발생이 상분리 중 도메인 성장에 미치는 영향를 조사하기 위해.
• 유리 동역학이 존재하는 조건에서 유체역학적과 확산적 성장 메커니즘 간의 차이를 밝히기 위해.
• 유리 상태에서의 미시적 리아케이션 동역학과 거시적 도메인 진화 간의 관계를 조사하기 위해.
• 초저속 성장 상태에서 동적 스케일링이 유지되는지 평가하기 위해.

제안 방법

• A-A 및 B-B 상호작용이 동일한 Lennard-Jones 포텐셜로 모델링된 이성분 혼합물의 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 결정화를 방지하면서도 대칭성을 유지하기 위해 크기 다분산성을 도입하였다.
• 공존 온도와 상 경계를 결정하기 위해 반고전적 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 핵심 온도를 정의: $T_{\rm onset}$ (유리 동역학의 시작 온도) 및 $T_{\rm g,sim}$ (시뮬레이션 유리 전이 온도).
• 동적 스케일링을 검증하기 위해 구조 인자 첫 번째 모멘트 및 현수선 길이 방법을 사용해 도메인 크기를 측정하였다.
• 미시적 리아케이션 동역학과 노화 행동을 탐색하기 위해 이중 시간 상관 함수를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유리 전이 온도 이하에서 상분리 동역학이 다양한 온도 영역에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 유리 상태에서의 도메인 성장은 어떤 성질을 가지는가—확산적, 유체역학적, 또는 새로운 성장 법칙을 따르는가?
• RQ3 유리 상태에서의 느린 성장은 순수한 유리 형성체에서 관찰되는 노화와 유사한 미시적 동역학에 얼마나 의해 영향을 받는가?
• RQ4 초저속 성장 영역에서 도메인 구조에 대해 동적 스케일링이 유지되는가?
• RQ5 농도 필드의 존재가 균일한 유리 형성체 시스템과 비교해 미시적 리아케이션에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• T > T_{\rm onset} 인 영역에서는 유체역학적 성장이 지배하며, $\xi \propto t^{2/3}$ 로 나타나, 유체역학적 이동이 주요한 역할을 한다.
• T_{\rm onset} > T > T_{\rm g,sim} 영역에서는 일시적인 약한 거듭제곱 법칙 성장이 관찰되며, 이후 확산적 성장 $\xi \propto t^{1/3}$ 으로 전이된다.
• T_{\rm g,sim} 이하에서는 도메인 성장이 로그적으로 느려지거나 그 이하로 느려지며, 시뮬레이션 시간 내에서 포화 현상이 나타나지 않는다.
• 극도의 느린 속도에도 불구하고, 구조 인자는 단일 스케일링 함수를 가지며 동적 스케일링을 보이며, 자가유사한 도메인 형태를 나타낸다.
• T_{\rm onset} 이하에서는 강한 대기 시간 의존성이 관찰되며, 순수한 유리 형성체에서의 노화와 유사한 동역학을 보이지만, 균일한 경우보다 빠른 리아케이션이 관찰된다.
• 느린 성장은 유체역학적 효과와 분리되어 있으며, 노화와 유사한 국소 동역학의 저속화와 관련되어 있으며, 수정된 Cahn-Hilliard 모델에 의해 지지된다.