[논문 리뷰] Stretched Exponential Relaxation of Glasses: Origin of the Mixed Alkali Effect

Yingtian Yu, John C. Mauro외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 06.

Glass properties and applications참고 문헌 8인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 혼합 알칼리 실리케이트 유리의 장기적 비정상 상태에서의 회복 현상이 국소적으로 압력이 가해진 구조적 불안정성에 의해 유도되는 확산-포획 메커니즘에 기인하며, 에너지 회복의 경우 β = 3/5, 부피 회복의 경우 β = 3/7로 구분되는 복합 지수 형태로 나타남을 밝혀냈다. 알칼리 이온 농도가 동일할 때 회복 속도가 최대가 되는 것은 응력 크기와 농도 사이의 최적 균형 때문이었다.

ABSTRACT

Although it is indeed commonly believed that, as frozen supercooled liquids, glasses should continue to flow over the years (e.g., in the case of the stained-glass windows of medieval cathedrals), the dramatic increase of their viscosity below the glass transition temperature suggests, on the contrary, that their relaxation time is on the order of 10$^{32}$ years at room temperature. However, a recent study conducted by Mauro et al. reported the intriguing dynamics of the relaxation of a commercial Corning Gorilla Glass at room temperature, over 1.5 years. Here, we report a novel atomistic simulation method allowing us to directly access the long-term (years) dynamics of glass relaxation at room temperature. Based on the simulation of a series of mixed alkali silicate glasses, we demonstrate that room-temperature relaxation is a direct consequence of the mixed alkali effect. Although both volume and energy feature a stretched exponential relaxation, our results reveal a bifurcation of the stretching exponents, with $β$ = 3/5 and 3/7 for energy and volume relaxation, respectively. Relaxation is found to occur through the diffusion of local stressed structural instabilities inside the atomic network, which anneal each other when a compressed atomic unit meets one that is under tension. The driving force for such diffusion-trap relaxation mechanism is found to be at a maximum when the concentrations of each alkali atom equal each other, which arises from a balance between the concentration of each alkali atom and the magnitude of the local stress that they undergo.

연구 동기 및 목표

• 혼합 알칼리 실리케이트 유리의 실온에서 장기적인 구조적 회복 현상의 기원을 이해하는 것.
• 혼합 알칼리 효과가 회복 동역학을 어떻게 지배하는지 조사하는 것.
• 유리에서 관찰되는 복합 지수 형태의 회복 현상의 미세 구조적 메커니즘을 규명하는 것.
• 회복에 대한 알칼리 이온 농도 균형의 의존도를 정량화하는 것.
• 국소 원자적 응력과 거시적 회복 거동 사이의 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• 장기간의 시간 스케일(수년)에서 혼합 알칼리 실리케이트 유리를 모델링하기 위해 원자 수준의 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하였다.
• 구조적 변화, 에너지, 부피 변화를 추적하여 회복 거동을 평가하였다.
• 확산-포획 메커니즘이 특정되었으며, 이는 압력이 가해진 구조 단위가 이동하고 상호 작용함으로써 안정화되는 방식이었다.
• 에너지 및 부피 회복에 대해 복합 지수 형태의 함수에 적합함으로써 스테칭 지수 β를 추출하였다.
• 알칼리 이온 농도 비율이 회복 속도에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다.
• 회복의 추진력이 국소 응력과 알칼리 농도 간의 균형에 기인한다는 것을 연결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 혼합 알칼리 유리에서 관찰되는 복합 지수 형태의 회복 현상은 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 혼합 알칼리 효과는 유리의 장기적 구조적 회복에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 혼합 알칼리 실리케이트 유리에서 회복을 담당하는 미세 구조적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 왜 알칼리 이온 농도가 동일할 때 회복 속도가 최대가 되는가?
• RQ5 에너지 회복과 부피 회복은 그 스테칭 지수와 동역학에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 실온에서 혼합 알칼리 실리케이트 유리의 회복은 복합 지수 형태의 함수를 따르며, 에너지 회복의 경우 β = 3/5, 부피 회복의 경우 β = 3/7로 각각 구분된다.
• 이 회복 메커니즘은 원자 네트워크 내에서 국소적으로 응력이 가해진 구조적 불안정성의 이동과 상호 상쇄 작용에 의해 유도된다.
• 두 알칼리 이온의 농도가 동일할 때 회복 속도가 최대가 되며, 이는 응력 크기와 농도 사이의 최적 균형 때문이었다.
• 등몰농도 상태에서 확산-포획 과정의 추진력이 가장 크게 나타나, 이로 인해 회복 동역학의 피크가 발생하는 것으로 설명된다.
• 시뮬레이션을 통해 수년에 이르는 동역학을 직접 접근함으로써, 실온에서의 회복이 이 유리에서 실제로 발생하고 측정 가능한 현상임을 확인하였다.
• 결과적으로 국소 원자적 응력과 이온 농도 간의 상호작용을 기반으로 혼합 알칼리 효과에 대한 통합적 설명을 제공한다.