[논문 리뷰] The local atomic packing of a single-component glass is quasi-crystalline

Farid F. Abraham|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 22.

Material Dynamics and Properties인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 단일 성분 레너드-존스 유리에서 국소 원자 환경을 조사하기 위해 Ackland-Jones 위상 분석을 사용한다. 그 결과, 매크로스코픽하게 무질서한 성질을 지니고 있음에도 불구하고 국소 원자 배열은 주로 준결정성 구조를 띠며, 대부분의 원자가 FCC, HCP 또는 BCC 유사 구조를 취하고 있음을 밝혀내어 전통적인 유리의 무질서성에 대한 통념을 도전한다.

ABSTRACT

Our earlier Monte Carlo simulations of metastable supercooled-liquid and glass phases of Lennard-Jones atoms found several distinct signatures for identifying the glass transition boundary; i.e., the density, enthalpy, and pair distribution function dependences on temperature and pressure are different for the two phases (F. F. Abraham, J. Chem. Phys., 72, 359 (1980)). In this extension of that study, we base our analysis on the Ackland-Jones (A-J) method for determining the local crystal packing about each atom (G. Ackland & A. Jones, PRB 73, 054104 (2006)). It focuses on the angular distribution of the local atoms surrounding each individual atom and compares it with the known FCC, HCP, BCC, icosahedron packings within a specified uncertainly from perfect packing. Remarkably, the A-J method to our simulated glass states indicates that the local atomic packings of the individual atoms are predominantly crystalline; i.e., quasi FCC, HCP or BCC.

연구 동기 및 목표

• 고도의 위상 분석을 활용하여 단일 성분 유리의 국소 원자 순서 성질을 조사하기.
• 냉각된 액체 상태와 유리 상태에서의 국소 원자 환경이 결정성 유사 특성을 보이는지 확인하기.
• 이전 시뮬레이션에서 열역학적 서명을 통해 확인된 유리 전이 경계의 타당성 평가하기.
• 유리의 국소 구조가 완전히 무질서한 것이 아니라 준결정성으로 기술될 수 있는지 탐색하기.
• 금속 유리에서 관찰되는 매크로스코픽한 무질서성과 국소 원자 배열의 질서 간 괴리 해결하기.

제안 방법

• 이웃 원자들의 각도 분포를 기반으로 국소 원자 환경을 분류하기 위해 Ackland-Jones (A-J) 위상 방법 사용.
• 각 원자의 이웃 원자들의 각도 분포를 FCC, HCP, BCC 및 이코사헤드랄 배열과 같은 이상적인 결정 구조와 비교.
• 완벽한 대칭에서의 허용 오차를 허용하는 허용 오차 기준을 도입하여 '준' 결정성 질서 정의.
• 냉각된 액체 상태와 유리 상태에서 Lennard-Jones 시스템의 몬테카를로 시뮬레이션 데이터 분석.
• A-J 방법을 사용하여 시뮬레이션된 유리 상태에서 FCC, HCP 또는 BCC 유사로 분류된 원자 비율 계산.
• 유리 전이의 알려진 열역학적 서명(밀도, 엔탈피, 상관계수 함수)과 결과를 대조하여 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 성분 유리의 국소 원자 환경이 결정성 배열 특성을 보이는가?
• RQ2 유리 내 원자들이 어느 정도의 비율로 FCC, HCP 또는 BCC 유사 배치 기하학을 취하는가?
• RQ3 동일한 열역학적 상태에서 유리의 국소 원자 구조는 냉각된 액체 상태와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 A-J 방법을 사용해 국소 구조 서명을 통해 유리 전이를 식별할 수 있는가?
• RQ5 유리에서 관찰되는 명백한 무질서성은 준결정성 국소 구조와 일관된가?

주요 결과

• Ackland-Jones 분석 결과, 시뮬레이션된 단일 성분 유리의 대부분의 원자가 FCC, HCP 또는 BCC 유사 구조를 띠는 국소 구조를 취하고 있음.
• 매크로스코픽하게 무질서한 성질을 지니고 있음에도 불구하고, 유리의 국소 원자 배열은 주로 준결정성으로 구성되어 있으며, 상당수의 원자가 FCC 유사 또는 HCP 유사로 분류됨.
• 금속 유리에서 일반적으로 관찰되는 이코사헤드랄 질서와는 다름을 보여 유리의 국소 무늬가 다를 것임을 시사함.
• A-J 방법은 열역학적 성질이 유사한 상황에서도 유리 상태와 냉각된 액체 상태를 명확히 구분할 수 있는 구조적 서명을 성공적으로 식별함.
• 결과는 유리 전이가 장거리 질서가 없더라도 국소적으로 더 질서 잡힌 배열로의 재구성과 관련이 있음을 시사함.
• 이 연구는 유리 내 국소 원자 환경이 위상적으로 매우 질서 잡혀 있을 수 있음을 입증하며, 전통적으로 유리가 순수하게 무질서한 물질이라고 보는 관념에 도전한다.