[論文レビュー] The nature of the glass and gel transitions in sticky spheres

C. Patrick Royall, Stephen R. Williams+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2014

Material Dynamics and Properties被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、凝膠化が停止したスピンダル分解によって引き起こされる動的および構造的 quasi不連続転移であるのに対し、ガラス転移に伴う連続的減速とは対照的に、ね 黏性球体コロイドにおける凝膠化とガラス転移を区別する。主な発見は、凝膠化は高密度（φₑ ≳ 0.59）で発生し、四面体および三角錐クラスターが支配するハイパークエンチドな局所構造を示し、ガラス転移に近づく過冷却液体で見られる連続的緩和と五重対称性構造とは対照的に、負の浸透圧を示すことである。

ABSTRACT

Glasses and gels are the two dynamically arrested, disordered states of matter. Despite their importance, their similarities and differences remain elusive, especially at high density. We identify dynamical and structural signatures which distinguish the gel and glass transitions in a colloidal model system of hard and "sticky" spheres. Gelation is induced by crossing the gas-liquid phase-separation line and the resulting rapid densification of the colloid-rich phase leads to a sharp change in dynamics and local structure. Thus, we find that gelation is first-order-like and can occur at much higher densities than previously thought: far from being low-density networks, gels have a clear "thermodynamic" definition which nevertheless leads to a non-equilibrium state with a distinct local structure characteristic of a rapidly quenched glass. In contrast, approaching the glass transition, the dynamics slow continuously accompanied by the emergence of local five-fold symmetric structure. Our findings provide a general thermodynamic, kinetic, and structural basis upon which to distinguish gelation from vitrification.

研究の動機と目的

• 密度が高く無秩序なソフト物質系における凝膠化とガラス転移の根本的差異を解明すること。
• 凝膠化とガラス転移が熱力学的、動的および構造的観点から連続的か不連続的かの転移を示すかを特定すること。
• 動的クロスオーバーを越えた明確な物理的基準を同定し、凝膠とガラスを絶対的に区別可能にするものである。
• 高体積分率における凝膠の構造的および熱力学的性質を調査し、従来の凝膠が低密度ネットワークであるという見方を挑戦すること。
• 圧力および保存された秩序パラメータ（コロイド体積分率）が相分離を介して凝膠形成を可能にする役割を調査すること。

提案手法

• 蛍光性で屈折率が一致するコロイドの単一粒子追跡を用いた共焦点顕微鏡法により、構造の進化をモニタリングする。
• 実験系における静電的スクリーニング効果を考慮した有効体積分率 φₑ の使用。
• 局所的構造モチーフの定量的評価と時間および密度に伴うその進化を追跡するためのトポロジカルクラスタ分類（TCC）。
• 緩和時間 τα の分析により、連続的（ガラス転移）対比して quasi不連続的（凝膠化）な動的挙動を区別する。
• 凝膠化過程における相分離の熱力学的シグナルを検出するための浸透圧の測定。
• ε が引力井戸の深さを表す (φₑ, ε) パラメータ空間におけるシミュレーションと実験的検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凝膠化は動的および構造的観点から連続的か不連続的かの転移か？
• RQ2 高密度において、熱力学的、運動的および構造的シグナルを用いて、凝膠とガラスを明確に区別できるか？
• RQ3 停止したスピンダル分解が凝膠化を駆動し、ハイパークエンチングを引き起こす役割は何か？
• RQ4 四面体や五重対称性クラスターなどの局所的構造モチーフは、凝膠化およびガラス転移の過程でどのように進化するか？
• RQ5 凝膠はどの程度まで高体積分率にまで持続可能か？また、それらは熱力学的に定義された状態として記述可能か？

主な発見

• 凝膠化は、緩和時間 τα の急激な増加と局所構造の突然の変化を特徴とする quasi不連続的転移であり、ガラス転移に伴う連続的減速とは対照的である。
• 凝膠化は予想外に高い体積分率（φₑ ≳ 0.59）で発生し、凝膠が必ずしも低密度ネットワークであるとは限らないことを示している。
• 凝膠化に伴い、相分離のため浸透圧が負に転じるが、ハードスフィアガラス転移に近づくと浸透圧は上昇する。
• 凝膠および急速に圧縮されたハードスフィアガラスにおける局所構造は、四面体および三角錐クラスターが支配的であり、ハイパークエンチングを示している。
• 過冷却液体およびガラス転移に近づく系では、より大きな十員クラスターが観察され、構造的緩和を要するが、凝膠には存在しない。
• 凝膠における非平衡状態の構造的シグナルは、長距離的なネットワークのパーベレーションによるものではなく、停止した相分離に伴う急速な密着化によるものである。