[論文レビュー] Non-monotonic effect of confinement---Draft oday]{Non-monotonic effect of confinement on the glass transition

Fathollah Varnik, Thomas Franosch|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Material Dynamics and Properties参考文献 127被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、液体におけるガラス転移に対するナノコンパクト化の非単調効果を調査し、短時間秩序とコンパクト化に起因する長さスケールの競合によって、構造的緩和ダイナミクスとパッケージング秩序が非単調に依存することを示している。熱力学的および拡散に基づくアプローチを用いて、中程度の密度ではダイナミクスが振動的であるが、高密度では集団的効果により破綻することを明らかにした。本研究の結果は、ナノ構造材料および閉じ込められた流体系に応用される可能性を示している。

ABSTRACT

The relaxation dynamics of glass forming liquids and their structure are influenced in the vicinity of confining walls. In view of the great potential of this effect for applications in those fields of science and industry, where liquids occur under strong confinement (e.g., nano-technology), the number of researchers studying various aspects and consequences of this non-monotonic behaviour has been rapidly growing. This review aims at providing an overview of the research activity in this newly emerging field. We first briefly discuss how competing mechanisms such as packing effects and short-range attraction may lead to a non-monotonic glass transition scenario in the bulk. We then analyse confinement effects on the dynamics of fluids using a thermodynamic route which relates the single particle dynamics to the excess entropy. Moreover, relating the diffusive dynamics to the Widom's insertion probability, the oscillations of the local dynamics with density at moderate densities are fairly well described. At high densities belonging to the supercooled regime, however, this approach breaks down signaling the onset of strongly collective effects. Indeed, confinement introduces a new length scale which in the limit of high densities and small pore sizes competes with the short-range local order of the fluid. This gives rise to a non-monotonic dependence of the packing structure on confinement, with a corresponding effect on the dynamics of structural relaxation. This non-monotonic effect occurs also in the case of a cone-plate type channel, where the degree of confinement varies with distance from the apex. This is a very promising issue for future research with the possibility of uncovering the existence of alternating glassy and liquid-like domains.

研究の動機と目的

• ナノコンパクト化下でのガラス転移の非単調的挙動を理解すること、特にコンパクト化が緩和ダイナミクスおよび構造的秩序に与える影響を特定すること。
• 過冷却流体における短時間秩序、コンパクト化に起因する長さスケール、および集団的効果の相乗的相互作用を検討すること。
• コーンプレートチャネルなどの異なるコンパクト化幾何学が、空間的に交互にガラス的および液体的領域を誘発する方法を分析すること。
• 強いコンパクト化下でのダイナミクスを記述するにあたり、熱力学的および拡散に基づくモデルの限界を評価すること。
• ナノテクノロジーや材料科学への応用を想定し、ガラス形成液体におけるコンパクト化効果に関する新規研究の包括的概要を提供すること。

提案手法

• 単一粒子のダイナミクスと過剰エントロピーを関連付ける熱力学的アプローチを用いて、コンパクト化効果を分析する。
• ウィドムの挿入確率を用いて拡散的ダイナミクスをモデル化し、中程度の密度における局所的ダイナミクスの振動を説明する。
• 高密度領域で挿入確率モデルの破綻を特定し、強力な集団的ダイナミクスの始まりを示唆する。
• 短時間秩序と競合するように働く、コンパクト化によって導入される新しい長さスケールを同定する。
• コーンプレート幾何学のような空間的に変化するコンパクト化を有する系を分析し、非単調な構造的およびダイナミックな応答を調査する。
• 理論的予測と実験的観察を比較することで、コンパクト化に伴う緩和の非単調的依存関係を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノコンパクト化は、どのようにしてコンパクト化強度に依存するガラス転移の非単調的依存関係を誘発するか？
• RQ2 中程度の密度における局所的ダイナミクスの振動は何によって生じるのか？また、なぜ高密度ではその振動が崩壊するのか？
• RQ3 短時間の引力とパッケージングの競合効果が、コンパクト化下で構造的緩和をどのように変化させるか？
• RQ4 コンパクト化は、固有の短時間秩序と競合する新しい長さスケールをどのように導入するか？
• RQ5 コーンプレートチャネルのような空間的に変化するコンパクト化は、ガラス的および液体的領域の交互な形成を引き起こすことができるか？

主な発見

• ガラス転移の非単調的挙動は、短時間秩序とコンパクト化に起因する長さスケールの競合に起因する。
• 中程度の密度では、局所的ダイナミクスの振動的挙動はウィドムの挿入確率モデルで良好に記述できる。
• 過冷却領域における高密度領域では、挿入確率モデルが失敗し、強力な集団的ダイナミクスの始まりを示唆する。
• コンパクト化は短時間秩序と競合する新しい長さスケールを導入し、非単調なパッケージング構造およびダイナミクスを生じさせる。
• 幾何的に変化するコンパクト化、例えばコーンプレートチャネルにおいても、非単調効果は持続し、ガラス的および液体的挙動の空間的モードレーションが可能になる。
• 本研究の結果は、ナノコンパクト化を用いて閉じ込められた流体におけるダイナミックな不均一性を設計可能である可能性を示唆し、ナノテクノロジーや材料設計に応用される可能性を有する。