[论文解读] 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 6

一句话总结

本文研究了纳米受限条件下液体玻璃化转变的非单调效应，表明结构弛豫动力学和堆积有序性均因短程有序性与受限诱导长度尺度之间的竞争而表现出非单调依赖性。通过热力学与扩散性方法，研究发现动力学在中等密度下呈现振荡行为，但在高密度下由于集体效应而失效，该研究对纳米结构材料和受限流体系统具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 理解纳米受限条件下玻璃化转变的非单调行为，特别是受限如何改变弛豫动力学与结构有序性。
• 研究过冷流体中短程有序性、受限长度尺度与集体效应之间的相互作用。
• 分析不同受限几何结构（如锥板通道）如何诱导空间交替的玻璃态与液态区域。
• 评估热力学与扩散性模型在强受限条件下描述动力学的局限性。
• 为纳米技术和材料科学中玻璃形成液体受限效应的新兴研究提供全面综述。

提出的方法

• 采用一种将单粒子动力学与过剩熵相联系的热力学方法，分析受限效应。
• 利用Widom的插入概率模型模拟扩散动力学，并解释中等密度下局部动力学的振荡行为。
• 识别出在高密度下插入概率模型的失效，表明强集体动力学的出现。
• 引入由受限效应产生的新长度尺度，该尺度与流体中的短程局部有序性相竞争。
• 分析具有空间变化受限特性的体系（如锥板几何结构），以探测结构与动力学响应的非单调性。
• 将理论预测与实验观测进行比较，以验证弛豫行为对受限程度的非单调依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米受限如何导致玻璃化转变对受限强度的非单调依赖？
• RQ2 中等密度下局部动力学的振荡行为由何引起？为何在高密度下会失效？
• RQ3 在受限条件下，短程吸引力与堆积效应如何相互作用以改变结构弛豫？
• RQ4 受限如何引入一种新长度尺度，使其与内在短程有序性竞争？
• RQ5 空间变化的受限条件（如锥板通道）是否可导致交替的玻璃态与液态区域？

主要发现

• 玻璃化转变的非单调行为源于短程有序性与受限诱导长度尺度之间的竞争。
• 在中等密度下，局部动力学的振荡行为可被Widom的插入概率模型良好描述。
• 在过冷区域的高密度下，插入概率模型失效，表明强集体动力学的出现。
• 受限引入的新长度尺度与短程有序性竞争，导致非单调的堆积结构与动力学。
• 即使在几何形状变化的受限条件下（如锥板通道），非单调效应依然存在，可实现玻璃态与液态行为的空间调制。
• 研究结果表明，纳米受限可用于调控受限流体中的动态异质性，对纳米技术和材料设计具有重要意义。