[논문 리뷰] The glass transition of hyperquenched glassy water

V. Velikov, S. Borick외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 04. 13.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 유리 상태의 물의 유리전이 온도를, 부피 유리형 물질들과의 열량 측정에서의 비열 방출 행동을 비교하여 재평가한다. 일반적으로 인정받는 136 K의 Tg를 사용할 경우, 물의 비열 방출 곡선은 다른 초냉각 유리형 물질들에서 관찰되는 보편적 패턴에서 크게 이탈함을 발견한다; 따라서 저자들은 유리형 물질들의 보편적 행동과 일치시키기 위해 물의 유리전이 온도를 165–170 K로 재설정해야 한다고 주장한다.

ABSTRACT

We review the search for the glass transition in water in its various amorphous forms, and highlight the paradoxes that the search has produced. Focussing on the glassy form of water obtained by hyperquenching, we examine its reported calorimetric properties in the light of new findings for bulk glassformers vitrified by hyperquenching. Like the hyperquenched bulk glassformers, hyperquenched water exhibits a large relaxation exotherm on reheating, as the high enthalpy quenched form relaxes to a lower enthalpy state. When the scanning temperature is scaled by the glass transition temperature, the bulk glassformers show a common pattern in this relaxation exotherm. However, when the relaxation exotherm for hyperquenched water is scaled onto the plot for the bulk glassformers using the commonly accepted glass transition temperature for water, 136K, its behavior appears completely different. If we require that the behavior of water be comparable to the other cases, except for crystallizing before the glass transition (like the majority of hyperquenched metallic glasses), then the glass transition for water must be reset to a value of 165-170K.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 유리 상태의 물이 다른 부피 유리형 물질들과 비교해 유리전이 행동에서 야기하는 역설을 해결하기 위해.
• 초냉각 물의 보고된 열량 측정 비열 방출 곡선이 다른 초냉각 물질들에서 관찰되는 보편적 스케일링 패턴을 따르지 않는 이유를 조사하기 위해.
• 물에 대해 일반적으로 받아들여지는 136 K의 유리전이 온도가 다른 유리형 물질들의 행동과 일치하는지 확인하기 위해.
• 금속 유리에서 관찰되는 유리전이 이전의 결정화가 물의 열량 측정 데이터 해석에 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 다른 유리형 물질들과의 일관성을 회복하기 위해 초냉각 물의 재정의된 유리전이 온도를 제안하기 위해.

제안 방법

• 각각의 유리전이 온도로 스케일링한 후, 초냉각 물의 열량 측정 비열 방출 곡선을 부피 유리형 물질들과 비교하기 위해.
• 초냉각 부피 유리형 물질들에서 관찰되는 비열 방출 곡선의 보편적 스케일링 행동을 기준 기준으로 사용하기 위해.
• 열스캔 중 초냉각 물의 엔탈피 비열 방출 동역학을 분석하여 기대되는 행동과의 이탈 여부를 탐지하기 위해.
• 부피 유리형 물질들에 사용된 동일한 온도 스케일링 방법을 초냉각 물에 적용하여 일관성 여부를 시험하기 위해.
• 물의 행동에서 관찰된 이탈이 유리전이 온도가 잘못 할당되었기 때문인지 평가하기 위해.
• 다른 유리형 물질들과의 보편적 패턴을 따르기 위해, 결정화 위험에도 불구하고 물의 유리전이 온도를 재평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적으로 인정받는 136 K의 Tg로 스케일링했을 때, 초냉각 물의 비열 방출 곡선이 다른 초냉각 유리형 물질들에서 관찰되는 보편적 스케일링 패턴을 따르지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ2 다른 부피 유리형 물질들과의 비열 방출 행동을 일치시키기 위해 필요한 초냉각 물의 올바른 유리전이 온도는 무엇인가?
• RQ3 물에서 유리전이 이전에 결정화가 발생하는 것이 비열 측정 데이터의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 초냉각 물의 고엔탈피 상태가 다른 유리형 물질들에 비해 비열 방출 동역학에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 초냉각 유리형 물질들의 보편적 비열 방출 행동을 기준으로 하여, 물의 유리전이 온도를 재평가할 수 있는가?

주요 결과

• 일반적으로 받아들여지는 136 K의 Tg로 스케일링했을 때, 초냉각 물의 비열 방출 곡선은 부피 유리형 물질들의 보편적 스케일링 패턴과 일치하지 않는다.
• 초냉각 물의 비열 방출 곡선을 165–170 K의 Tg로 스케일링했을 때, 다른 초냉각 유리형 물질들에서 관찰되는 보편적 패턴과 일치하는 행동을 보인다.
• 136 K에서의 행동 이탈은 이 값이 초냉각 물의 유리전이 온도를 정확히 나타내지 못할 수 있음을 시사한다.
• 저자들은 초냉각 물의 유리전이 온도를 165–170 K로 재설정해야만 유리형 물질들의 보편적 비열 방출 동역학과 일치함을 확보할 수 있다고 결론 내린다.
• 제안된 165–170 K의 Tg는 초냉각 물이 다른 유리형 물질들과 마찬가지로 재가열 시 공통된 비열 방출 행동을 보인다는 아이디어와 일치한다.
• 이러한 발견들은 표준적으로 Tg = 136 K로 할당된 물의 유리전이 온도가 보편적 유리전이 스케일링의 맥락에서 잘못되었거나 부족할 수 있음을 암시한다.