[论文解读] Heterogeneous diffusion in amorphous solids

M.R. Warren, Jörg Rottler|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2009

Material Dynamics and Properties参考文献 2被引用 1

一句话总结

本研究利用分子模拟揭示，老化结构玻璃中的弛豫事件其持续时间遵循与历史无关的幂律分布，且对等待时间 $t_w$ 的记忆仅限于首次事件。基于原子尺度分布的连续时间随机游走（CTRW）模型能准确捕捉体扩散行为，并解释与 $t_w$ 相关的表观标度行为及与理想标度的偏差。

ABSTRACT

Using molecular simulations, we identify microscopic relaxation events of individual particles in ageing structural glasses, and determine the full distribution of relaxation times. We find that the memory of the waiting time $t_w$ elapsed since the quench extends only up to the first relaxation event, while the distribution of all subsequent relaxation times (persistence times) follows a power law completely independent of history. Our results are in remarkable agreement with the well known phenomenological trap model of ageing. A continuous time random walk (CTRW) parametrized with the atomistic distributions captures the entire bulk diffusion behavior and explains the apparent scaling of the relaxation dynamics with $t_w$ during ageing, as well as observed deviations from perfect scaling.

研究动机与目标

• 利用分子模拟识别老化结构玻璃中的微观弛豫事件。
• 确定这些体系中弛豫时间（持续时间）的完整分布。
• 研究自淬火以来的等待时间 $t_w$ 如何影响弛豫动力学。
• 检验弛豫动力学是否与老化现象的唯象陷阱模型一致。
• 开发一种能捕捉体扩散和表观标度行为与 $t_w$ 关系的连续时间随机游走（CTRW）模型。

提出的方法

• 通过分子动力学模拟追踪老化非晶固体中单个粒子的弛豫事件。
• 分析首次弛豫事件后弛豫时间（持续时间）的分布。
• 将观测到的弛豫时间分布与陷阱模型预测的幂律行为进行比较。
• 利用原子尺度弛豫时间分布对连续时间随机游走（CTRW）模型进行参数化。
• 利用 CTRW 模型模拟体扩散，并评估其与老化过程中观测到的标度行为的一致性。
• 评估动力学中与理想标度的偏差，以验证模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 老化结构玻璃中弛豫时间的分布如何演化，是否依赖于等待时间 $t_w$？
• RQ2 系统在首次弛豫事件之后，对 $t_w$ 的记忆程度如何？
• RQ3 弛豫时间分布是否如陷阱模型所预测的那样，完全独立于历史而呈现幂律分布？
• RQ4 基于原子尺度弛豫时间分布的 CTRW 模型能否再现观测到的体扩散行为和与 $t_w$ 相关的表观标度？
• RQ5 老化过程中弛豫动力学与理想标度产生偏差的原因是什么？

主要发现

• 自淬火以来的等待时间 $t_w$ 的记忆仅限于首次弛豫事件，后续事件不再依赖于 $t_w$。
• 所有后续弛豫时间（持续时间）的分布遵循与系统历史完全无关的幂律。
• 观测到的弛豫时间分布与老化现象的唯象陷阱模型表现出极好的一致性。
• 基于原子尺度弛豫时间分布参数化的连续时间随机游走（CTRW）模型能准确捕捉整个体扩散行为。
• CTRW 模型既能解释弛豫动力学与 $t_w$ 的表观标度关系，也能解释与理想标度的偏差。
• 结果表明，非晶固体中的宏观老化行为源于微观层面持续时间的无历史依赖幂律分布。