[논문 리뷰] Relaxation mechanisms in supercooled liquids past the Mode--Coupling Crossover: Cooperatively Re--arranging Regions vs Excitations

Levke Ortlieb, Trond S. Ingebrigtsen외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 14.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 액체에서 모드 결합 전이점 이후의 비균형 상관관계를 조사하기 위해 입자 해상도 실험과 GPU 가속 시뮬레이션을 결합한다. 동적 촉진 이론(국소화된 진동자에 의한)과 열역학적 이론(협동적으로 재배열되는 영역, CRRs에 의한)이 모두 지지되며, 깊은 초냉각에서 진동자와 CRRs 간의 상관관계가 증가하고, 미세한 진동자 운동과는 분리된 명확한 CRR 시간스케일이 관찰된다.

ABSTRACT

Among the challenges in discriminating between theoretical approaches to the glass transition is obtaining suitable data. In particular, particle--resolved data in liquids supercooled past the mode--coupling crossover has until recently been hard to obtain. Here we combine nano-particle resolved experiments and GPU simulation data which addresses this and investigate the predictions of differing theoretical approaches. We find support for both dynamic facilitation and thermodynamic approaches. In particular, excitations, the elementary units of relaxation in dynamic facilitation theory follow the predicted scaling behaviour and the properties of cooperatively rearranging regions (CRRs) are consistent with RFOT theory. At weak supercooling there is limited correlation between particles identified in excitations and CRRs, but this increases very substantially at deep supercooling. We identify a timescale related to the CRRs which is coupled to the structural relaxation time and thus decoupled from the excitation timescale, which remains microscopic.

연구 동기 및 목표

• 유리 전이가 동적 제약 요인에 의해 결정되는지, 열역학적 요인에 의해 결정되는지 오랫동안 끌려온 논쟁을 해결하기 위해.
• 기존의 시뮬레이션으로는 한계가 있는 모드 결합 전이점 이후의 영역에서 평형 상태의 입자 해상도 데이터를 확보하기 위해.
• 동적 촉진 이론(진동자)과 RFOT 이론(협동적으로 재배열되는 영역, CRRs)의 예측을 동일한 시스템에서 검증하기 위해.
• 다양한 초냉각 수준에서 진동자와 CRRs 간의 관계를 정량화하기 위해.
• CRRs와 진동자에 관련된 별개의 시간스케일을 식별하고, 이들이 구조적 상관관계 시간과의 분리 여부를 평가하기 위해.

제안 방법

• 2:1 카우즈만-앤더슨(Kauzmann-Anderson, KA) 모델의 GPU 가속 분자 동역학 시뮬레이션과 나노입자 해상도 실험을 결합한다.
• 동적 이질성의 정량화와 모드 결합 전이점 온도 $T_{\text{mct}}$의 식별을 위해 동적 감도도 $\chi_4(t)$를 사용한다.
• 입자 추적 알고리즘을 적용하여 진동자를 탐지한다: 입자는 $t_a=200$ 레너드-존슨 단위의 시간스케일 내에 $a=0.5$ 이상의 이동을 겪어야 하며, 하이퍼볼릭 탄젠트 피팅을 통해 진동자 지속 시간 $\delta t$를 추출한다.
• 공동으로 재배열되는 입자들의 공간적·시간적 군집을 이용하여 CRRs를 식별하며, 임계값 기반 탐지 방법을 적용한다.
• 구성 엔트로피 $S_{\text{conf}}$ 는 열역학적 통합과 고유 상태의 조화 근사법을 통해 계산한다.
• 진동자 농도와 CRR 크기의 척도 행동을 이론적 예측(예: $\chi_4$ 피크의 $\tau_\alpha^{1.2}$ 척도)과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 촉진 이론에서 예측한 바와 같이, 국소화된 진동자가 초냉각 액체에서 예상되는 척도 행동을 보일까?
• RQ2 협동적으로 재배열되는 영역(CRRs)의 성질은 RFOT 이론의 예측과 일치하는가, 특히 초냉각이 증가함에 따라 CRRs의 크기가 증가하는가?
• RQ3 진동자로 식별된 입자들과 CRRs에 속한 입자들 간의 상관관계는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 CRR 운동과 관련된 별개의 시간스케일이 있으며, 이는 미세한 진동자 운동과 분리되어 있는가?
• RQ5 입자 해상도 데이터는 깊은 초냉각 영역에서 동적 이론와 열역학 이론 간의 경쟁을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 동적 추적 알고리즘을 통해 식별된 진동자는 예측된 척도 행동을 따르며, 이는 동적 촉진 이론에서의 기본 상관관계 단위로서의 역할을 확인한다.
• 협동적으로 재배열되는 영역(CRRs)의 크기는 초냉각이 증가함에 따라 크게 증가하며, RFOT 이론과 구성 엔트로피 감소와 일치한다.
• 약한 초냉각에서는 진동자에 속한 입자들과 CRRs에 속한 입자들 간의 상관관계가 낮지만, 깊은 초냉각에서 이 상관관계는 크게 증가한다.
• CRR 운동과 관련된 별개의 시간스케일이 식별되었으며, 이는 구조적 상관관계 시간 $\tau_\alpha$ 와 연관되어 있어 미세한 진동자 운동과 분리되어 있음을 의미한다.
• 동적 감도도 $\chi_4(t)$의 피크는 $\tau_\alpha^{1.2}$ 척도로 스케일링되며, 이는 이전 연구 결과와 일치하고 강한 동적 이질성을 나타낸다.
• 진동자 탐지 알고리즘은 낮은 온도에서 효과적으로 작동하지만, $T_{\text{mct}}$ 근처에서는 입자 운동이 과도하게 활발하고 진동자 사건이 명확하지 않아 실패한다.