[논문 리뷰] The nature of the glass and gel transitions in sticky spheres

C. Patrick Royall, Stephen R. Williams외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 18.

Material Dynamics and Properties인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 점탄성 입자 콜로이드에서 거품화와 유리화를 식별함으로써, 거품화 과정에서 정지된 분리분해에 의해 유도되는 동역학과 구조의 준불연속 전이와 유리화 과정에서의 연속적인 느려짐을 구분한다. 주요 발견은 고밀도 조건(φₑ ≳ 0.59)에서 거품이 형성되며, 이는 테트라헤드론 및 삼각형 이중뿔 구조 클러스터에 의해 지배되는 초냉각된 국소 구조를 보이고, 유리 전이에 가까워지는 초냉각 액체에서 관찰되는 연속적인 리라크스와 오목한 삼투압을 보인다.

ABSTRACT

Glasses and gels are the two dynamically arrested, disordered states of matter. Despite their importance, their similarities and differences remain elusive, especially at high density. We identify dynamical and structural signatures which distinguish the gel and glass transitions in a colloidal model system of hard and "sticky" spheres. Gelation is induced by crossing the gas-liquid phase-separation line and the resulting rapid densification of the colloid-rich phase leads to a sharp change in dynamics and local structure. Thus, we find that gelation is first-order-like and can occur at much higher densities than previously thought: far from being low-density networks, gels have a clear "thermodynamic" definition which nevertheless leads to a non-equilibrium state with a distinct local structure characteristic of a rapidly quenched glass. In contrast, approaching the glass transition, the dynamics slow continuously accompanied by the emergence of local five-fold symmetric structure. Our findings provide a general thermodynamic, kinetic, and structural basis upon which to distinguish gelation from vitrification.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 높고 무질서한 연질 물질 시스템에서 거품화와 유리화의 근본적인 차이를 규명하는 것.
• 열역학, 동역학, 구조적 측면에서 거품화와 유리화가 연속적 전이인지 불연속적 전이인지 판단하는 것.
• 동역학적 크로스오버를 넘어서 절대적인 기준을 제공하는 물리적 기준을 규명하여 거품과 유리 상태를 명확히 구분하는 것.
• 고부피분율에서 거품의 구조적 및 열역학적 성질을 조사하여, 전통적으로 거품이 저밀도 네트워크로 간주되는 관점을 도전하는 것.
• 압력과 보존된 질서 매개변수(입자 부피분율)가 상분리에 의해 거품 형성을 가능하게 하는 역할을 탐구하는 것.

제안 방법

• 구조적 진화를 모니터링하기 위해 형광성, 굴절률이 일치하는 입자에서의 공형 현미경 및 단일 입자 추적.
• 실험 시스템에서 전기적 스크리닝 효과를 고려하기 위해 효과적 부피분율 φₑ를 사용.
• 지속적인 국소 구조 모티프의 정량화 및 시간과 밀도에 따른 변화 추적을 위한 위상적 클러스터 분류(TCC).
• 연속적(유리화) 대 준불연속적(거품화) 동역학을 구분하기 위해 리라크스 시간 τα 분석.
• 거품화 과정에서 상분리의 열역학적 서명을 탐지하기 위해 삼투압 측정.
• ε가 인력 우물의 깊이인 (φₑ, ε) 매개변수 공간에서의 시뮬레이션 및 실험적 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동역학과 구조적 측면에서 거품화는 연속적 전이인지 불연속적 전이인지인가?
• RQ2 고밀도 조건에서 열역학적, 동역학적, 구조적 서명을 사용하여 거품과 유리 상태를 명확히 구별할 수 있는가?
• RQ3 정지된 스피노이드 분리가 거품화를 유도하고 초냉각 상태를 초래하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 테트라헤드론 및 오목한 대칭 클러스터와 같은 국소 구조 모티프가 거품화 및 유리화 과정에서 어떻게 진화하는가?
• RQ5 거품은 어느 정도까지 고부피분율에서 지속되며, 열역학적으로 정의된 상태로 기술될 수 있는가?

주요 결과

• 거품화는 리라크스 시간 τα의 급격한 증가와 국소 구조의 돌연한 변화로 특징지어지며, 이는 유리화 과정에서 관찰되는 연속적인 느려짐과는 다름.
• 거품은 놀랍도록 높은 부피분율에서 형성되며, φₑ ≳ 0.59로, 이는 거품이 반드시 저밀도 네트워크가 아니라는 것을 시사한다.
• 거품화 시 삼투압은 상분리로 인해 음수가 되지만, 하드-스피어 유리 전이에 가까워질수록 삼투압은 증가한다.
• 거품과 급속적으로 압축된 하드-스피어 유리 상태의 국소 구조는 소형 클러스터—테트라헤드론과 삼각형 이중뿔—에 의해 지배되며, 이는 초냉각 상태를 의미한다.
• 초냉각 액체와 유리 전이에 가까워지는 시스템은 더 큰 십개의 원자로 구성된 클러스터를 보이며, 이는 구조적 리라크스가 필요로 하며 거품에는 존재하지 않는다.
• 거품의 비평형 상태의 구조적 서명은 장거리 네트워크 퍼콜레이션 때문이 아니라, 정지된 상분리 기간 동안의 급속한 밀도 증가에서 기인한다.