[논문 리뷰] Unexpected Universality in the Viscosity of Metallic Liquids

M. E. Blodgett, T. Egami외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 28.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 49인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 금속 액체의 점성에 대한 일반적인 척도 법칙을 규명하여, 점성과 그 무한온도 외삽치의 비율이 Tcoop/T의 단일 함수에 따라 변동함을 보여준다. 여기서 Tcoop는 협동 운동의 시작을 나타내며 유리 전이 온도와 강하게 상관된다. 연구 결과는 무한온도에서의 점성이 약 nh에 가까운 것으로 나타나, 다양한 금속 액체 간에 놀라운 보편성이 있음을 드러낸다.

ABSTRACT

The range of the magnitude of the liquid viscosity as a function of the temperature (T) is one of the most impressive of any physical property, changing by approximately 17 orders of magnitude from its extrapolated value at infinite temperature to that at the glass transition. We present experimental measurements of containerlessly processed metallic liquids that reveal that the ratio of the viscosity to its extrapolated infinite temperature value follows a universal function of Tcoop/T. The temperature Tcoop corresponds to the onset of cooperative motion and is strongly correlated with the glass transition temperature. On average the extrapolated infinite temperature viscosity is found to be nh, where h is Planck's constant and n is the particle number density. A surprising universality in the viscosity of metallic liquids and its relation to the glass transition is demonstrated.

연구 동기 및 목표

• 용기 없는 조건에서 금속 액체의 점성 온도 의존성을 조사하기 위해.
• 다양한 금속 액체 간의 점성 척도가 보편적 행동을 보이는지 확인하기 위해.
• 협동 운동의 시작(Tcoop)과 유리 전이 온도 간의 관계를 탐구하기 위해.
• 무한온도 점성을 정량화하고 입자 밀도 및 플랑크 상수에 대한 의존성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 용기 없는 조건에서 처리된 금속 액체의 점성 실험 측정을 수행하여 표면 및 용기 효과를 방지하였다.
• 보편적 척도 행동을 규명하기 위해 점성 데이터를 무한온도 외삽치로 정규화하였다.
• 동적 이질성 분석을 통해 Tcoop를 협동 운동의 시작으로 특정하였다.
• 정규화된 점성을 Tcoop/T에 대해 그려보아 보편적 기능적 의존성을 시험하였다.
• 스토크스-아인슈타인 관계를 사용하여 무한온도 점성을 외삽하고, nh와의 일치 여부를 검증하였다.
• 다양한 금속 시스템에 대한 통계 분석을 통해 척도 함수와 nh 의존성의 일관성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무한온도 값으로 정규화된 금속 액체의 점성이 보편적 척도 함수를 따르는가?
• RQ2 협동 운동의 시작을 나타내는 온도 Tcoop는 유리 전이 온도와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 금속 액체의 무한온도 점성이 보편적으로 플랑크 상수와 입자 밀도와 관련이 있는가?
• RQ4 다양한 금속 액체가 Tcoop/T에 대해 그려졌을 때, 얼마나 잘 하나의 점성 척도 곡선에 수렴하는가?

주요 결과

• 다양한 시스템에서 금속 액체의 정규화된 점성은 Tcoop/T의 단일 보편 함수로 수렴한다.
• 온도 Tcoop는 유리 전이 온도와 강하게 상관되어 있으며, 동일한 동적 기원을 시사한다.
• 무한온도 점성은 플랑크 상수 h와 입자 수 밀도 n의 곱인 nh에 근접함을 발견하였다.
• 관측된 보편성은 양자 척도 상수와 금속 액체의 거시적 운반 간의 기본적 연결을 암시한다.
• 척도 함수는 다양한 금속 원소에서 강건하게 유지되어 공통된 동적 메커니즘을 시사한다.
• 결과는 협동 운동, 유리 전이, 그리고 액체 동역학에서의 양자 척도 한계 간의 깊은 연결을 지지한다.