[論文レビュー] Dynamic heterogeneity of glass-forming liquids in the density scaling regime

A. Grzybowski, Kajetan Koperwas+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2013

Material Dynamics and Properties参考文献 57被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、密度スケーリング下でのガラス形成性液体における動的不均一性を調査し、不均一性の度合い (χ₄)max が緩和時間 τ に依存するのではなく、密度に依存する要因によって支配されることを提案する。τ と (χ₄)max の両者にべき乗則による密度スケーリングを適用した結果、これらの量の間のデカップリングは、異なるスケーリング指数に起因しており、その差が密度依存の動的不均一性の依存性を定量化する。

ABSTRACT

Recent analyses of high pressure measurement data suggest that the degree of the dynamic heterogeneity (χ_4)^max cannot be in general a single variable function of the structural relaxation time τ. For a wide class of real and model supercooled liquids, the molecular dynamics of which obeys a density scaling law at least to a good approximation, we argue that the important relation between the length and time scales that characterize molecular motions near the glass transition is controlled by a density factor. If a power law density scaling is valid for both the structural relaxation times and the degrees of the dynamic heterogeneity we find that the factor is a density power, the exponent of which is a measure of the observed decoupling between τ and (χ_4)^max. Then, the measure can be quantified by a difference between the power law density scaling exponents, which are usually different for τ and (χ_4)^max.

研究の動機と目的

• 過冷液体におけるガラス転移付近の動的不均一性の起源を理解すること。
• (χ₄)max が動的不均一性の指標であるが、それが構造的緩和時間 τ のみに依存するのか、それとも他の変数に依存するのかを検討すること。
• 密度スケーリングが分子運動の時間スケールと長さスケールをどのように結びつけるかを調査すること。
• τ と (χ₄)max の間のデカップリングが、それらの密度スケーリング指数の差異によって定量的に記述可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 密度スケーリングを示す実験的・モデル的過冷液体からの高圧実験データの分析。
• 構造的緩和時間 τ と最大動的不均一性 (χ₄)max の両者に対するべき乗則による密度スケーリングの評価。
• τ と (χ₄)max 間の関係を支配する密度のべき乗要因の導出。これは、両者のべき乗則の指数の差異に基づく。
• τ と (χ₄)max のスケーリング指数を比較し、デカップリングの度合いを定量化する。
• スケーリング指数の差を、τ に依存するもの以上の動的不均一性の定量的指標として用いる。
• 密度スケーリングが概ね成り立つ液体にこのフレームワークを適用し、モデルの予測能力を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガラス形成性液体において、動的不均一性の度合い (χ₄)max を、構造的緩和時間 τ の単一変数関数として記述できるか？
• RQ2 ガラス転移付近における分子運動の時間スケールと長さスケールを支配する密度の役割は何か？
• RQ3 τ と (χ₄)max が両者ともべき乗則による密度スケーリングに従う場合、それらの間のデカップリングはどのように生じるか？
• RQ4 τ と (χ₄)max の間のスケーリング指数の差が、動的不均一性の信頼できる定量的指標となるか？
• RQ5 密度スケーリング領域において、動的不均一性を支配するのは τ ではなく、密度要因であるとみなせる程度はどの程度か？

主な発見

• 動的不均一性 (χ₄)max は、構造的緩和時間 τ のみに依存する関数として普遍的に表現できるわけではない。
• τ と (χ₄)max 間の関係を支配する密度のべき乗要因が存在し、その指数は τ と (χ₄)max のべき乗則スケーリング指数の差異から導出される。
• τ と (χ₄)max の間のデカップリングは、それらの密度スケーリング指数の差異によって定量的に記述できる。
• 密度スケーリングに従う液体では、動的不均一性は τ に依存する関数よりも、密度に依存する関数によってよりよく記述できる。
• このフレームワークは、高圧下の過冷液体における動的不均一性を一貫した定量的記述を可能にする。
• 結果は、多数の実験的・モデル的ガラス形成性液体からの高圧データによって裏付けられている。