[論文レビュー] Fragility, Configurational Entropy and the Potential Energy Landscape of Glass Forming Liquids

Srikanth Sastry|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2000

Material Dynamics and Properties被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、潜在的エネルギー・レイアウトの構造と関連付けて、ガラス形成液体の脆さの熱力学的説明を提案する。脆さは、エネルギーの谷の数やエネルギーの広がりだけではなく、谷内における振動特性の変化に起因することを示し、モデル液体系における自己拡散率データから得られる運動的脆さと定量的に一致する熱力学的脆さの式を導出する。

ABSTRACT

Glass is a microscopically disordered, solid form of matter that results when a fluid is cooled or compressed in such a fashion that it does not crystallise. Almost all types of materials are capable of glass formation -- polymers, metal alloys, and molten salts, to name a few. Given such diversity, organising principles which systematise data concerning glass formation are invaluable. One such principle is the classification of glass formers according to their fragility\cite{fragility}. Fragility measures the rapidity with which a liquid's properties such as viscosity change as the glassy state is approached. Although the relationship between features of the energy landscape of a glass former, its configurational entropy and fragility have been analysed previously (e. g.,\cite{speedyfr}), an understanding of the origins of fragility in these features is far from being well established. Results for a model liquid, whose fragility depends on its bulk density, are presented in this letter. Analysis of the relationship between fragility and quantitative measures of the energy landscape (the complicated dependence of energy on configuration) reveal that the fragility depends on changes in the vibrational properties of individual energy basins, in addition to the total number of such basins present, and their spread in energy. A thermodynamic expression for fragility is derived, which is in quantitative agreement with {\it kinetic} fragilities obtained from the liquid's diffusivity.

研究の動機と目的

• 実験的相関を超えて、ガラス形成液体の脆さの起源を理解すること。
• 構成エントロピーとポテンシャルエネルギー・レイアウトの特徴が脆さにどのように関係するかを調査すること。
• 自己拡散率から得られる運動的脆さと定量的に一致する熱力学的脆さの測定が可能かどうかを検証すること。
• エネルギー谷内における振動特性が脆さに与える役割を分析すること。
• 熱力学的および運動的脆さの測定を統合するフレームワークを確立すること。

提案手法

• 可変なバルク密度を持つモデル液体系を用いて脆さを変化させる。
• 配置依存のエネルギーの依存関係を分析することで、ポテンシャルエネルギー・レイアウトを検討する。
• エネルギー谷の数とエネルギーの広がりを、レイアウトの主要な特徴として定量化する。
• 個々のエネルギー谷内の振動特性を計算し、脆さと相関づける。
• 構成エントロピーとレイアウト特徴に基づいて、脆さの熱力学的式を導出する。
• 自己拡散率データから運動的脆さを計算し、熱力学的式と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー谷内の振動特性が、ガラス形成液体の脆さにどのように影響するか？
• RQ2 エネルギー谷の総数とエネルギーの広がりが、脆さにどの程度寄与するか？
• RQ3 自己拡散率から得られる運動的脆さと一致する熱力学的脆さの式を導出できるか？
• RQ4 構成エントロピーと振動ダイナミクスのどちらが、脆さに相対的に大きな寄与をしているか？
• RQ5 モデル液体のバルク密度を変化させることで、そのポテンシャルエネルギー・レイアウトと結果としての脆さにどのような影響が生じるか？

主な発見

• 脆さは、谷の数やエネルギーの広がりだけでなく、個々のエネルギー谷内の振動特性の変化に強く依存する。
• 導出された熱力学的脆さの式は、自己拡散率から得られる運動的脆さと定量的に一致する。
• 構成エントロピーと脆さの関係は、レイアウトの構造的およびダイナミカルな特徴によって媒介される。
• 密度の変化に伴い、谷内での振動の軟化または硬化が、脆さの変化と強く相関する。
• モデル系では、脆さが谷の数やエネルギー分散の関数であるだけでなく、局所的な動的応答にも依存することを示した。
• 本研究は、ガラス形成体における熱力学的レイアウト特徴と運動的挙動との直接的な関連を確立した。