[논문 리뷰] Molecular dynamics simulation of the capillary leveling of a glass-forming liquid

I. Tanis, K. Karatasos외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 31.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 60인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 유리 형성 이성분 레너드-존스 유체의 응집력 수준 조절을 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여, 패턴 감쇠 동역학에서 온도 의존성의 전환을 규명한다. 이는 유리 전이 온도 이하에서 표면 입자가 부피 입자보다 최대 10⁵배 빠른 확산을 보임을 보여주며, 이는 표면 이동성층 존재를 지지한다.

ABSTRACT

Motivated by recent experimental studies probing i) the existence of a mobile layer at the free surface of glasses, and ii) the capillary leveling of polymer nanofilms, we study the evolution of square-wave patterns at the free surface of a generic glass-forming binary Lennard-Jones mixture over a wide temperature range, by means of molecular dynamics simulations. The pattern's amplitude is monitored and the associated decay rate is extracted. The evolution of the latter as a function of temperature exhibits a crossover between two distinct behaviours, over a temperature range typically bounded by the glass-transition temperature and the mode-coupling critical temperature. Layer-resolved analysis of the film particles' mean-squared displacements further shows that diffusion at the surface is considerably faster than in the bulk, below the glass-transition temperature. The diffusion coefficient of the surface particles is larger than its bulk counterpart by a factor that reaches 105 at the lowest temperature studied. This factor decreases upon heating, in agreement with recent experimental studies.

연구 동기 및 목표

• 유리 전이 온도 이하에서 유리 형성 유체의 정사각형 파형 표면 패턴을 갖는 응집력 수준 조절 동역학을 조사한다.
• 패턴 감쇠의 온도 의존성과 구분되는 동적 영역을 식별하기 위해 분석한다.
• 유리 전이 온도 이하에서 유리 형성 유체의 표면 이동성 존재 여부와 범위를 조사한다.
• 최근 고분자 및 유리에서 관측된 이동성 표면층에 대한 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 조율한다.

제안 방법

• 유리 형성 유체를 나타내는 이성분 레너드-존스 혼합계의 분자 동역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 응집력 수준 조절을 유도하기 위해 정사각형 파형 표면 형상 구조를 적용한다.
• 넓은 온도 범위에서 시간에 따른 패턴 진폭 감쇠를 모니터링하여 감쇠 속도를 추출한다.
• 층별 평균 제곱 이동 분석을 통해 표면 입자와 부피 입자의 확산을 정량화한다.
• 감쇠 동역학을 모드 커플링 이론 예측과 비교하고, Tg 및 Tc 근처에서의 전환 행동을 식별한다.
• 현실적인 유리 형성 시스템을 사용하여 고분자 나노막대와 같은 실험적 시스템과의 관련성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유리 형성 유체에서 표면 형상 패턴의 감쇠 속도는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 유리 전이 온도 이하에서 표면 이동도는 부피 확산 대비 어느 정도 범위까지 증가하는가?
• RQ3 시스템은 패턴 완화 행동에서 동적 전환을 보이며, 만약 그렇다면 그 시작 조건은 무엇인가?
• RQ4 시뮬레이션 결과는 고분자 및 유리에서 관측된 이동성 표면층과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 유리 형성 박막의 응집력 수준 조절에서 계면 동역학의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 패턴 감쇠 속도는 유리 전이 온도(Tg)와 모드 커플링 임계 온도(Tc)로 둘러싸인 두 개의 구분된 온도 영역 간에 전환을 보인다.
• Tg 이하에서는 표면 입자가 부피 입자보다 최대 10⁵배 높은 확산 계수를 보이며, 이는 매우 이동성이 높은 표면 층 존재를 시사한다.
• 관측된 동적 전환은 모드 커플링 이론의 예측와 일치하며, 활성화된 이완에서 비-아레니우스적 이완 행동으로의 전이를 시사한다.
• 층별 평균 제곱 이동 분석은 표면 입자가 유리 상태에서도 향상되고 비-피크션 확산을 겪고 있음을 확인한다.