[论文解读] Phase separation kinetics of a symmetric binary mixture of glass-forming liquids

Yuri Oku, Kyohei Takae+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2020

Material Dynamics and Properties参考文献 7被引用 4

一句话总结

本研究通过分子动力学模拟，研究了具有相同 A-A 和 B-B Lennard-Jones 相互作用以及纯排斥性 A-B 相互作用的对称双组分玻璃形成液体混合物的相分离动力学。结果表明，在玻璃化转变温度以下，域生长变得对数缓慢或更慢，由类似老化过程的微观动力学驱动，粗化动力学与流体动力学效应解耦，且在极端减慢条件下仍与动态标度一致。

ABSTRACT

Mixtures of glass-forming fluids sometimes exhibit glass-glass phase separation at low temperatures. Here, we use a molecular dynamics simulation to study one of the simplest examples of the glass-glass phase separation. We consider a mixture composed of type A and B particles, in which the A-A and B-B interactions are the identical Lennard-Jones interactions and the A-B interaction is repulsive only. To avoid crystallization, we also introduce the polydispersity in the particle sizes for each component. We study the phase separation kinetics of this model at a 50:50 concentration at various temperatures. We find that hydrodynamic coarsening takes place when the temperature is higher than the onset temperature of the glassy dynamics. At lower temperatures, diffusive coarsening is observed over a long duration, and a further slower coarsening appears within a shorter time. Below the glass transition temperature, the domain growth does not stop but becomes logarithmically slow or even slower than logarithmic. By analyzing two-time correlation functions, we show that these slow coarsening processes are accompanied by a slowing down of the microscopic dynamics, which has qualitative similarities with the aging dynamics without phase separation. Based on the results, we discuss a possible link between the slow coarsening and the aging-like microscopic slowing down in the glass-glass phase separation.

研究动机与目标

• 在受控条件下理解对称双组分玻璃形成液体混合物的相分离动力学。
• 研究玻璃态动力学，特别是慢动态的出现和玻璃化转变，对相分离过程中域生长的影响。
• 在玻璃态动力学存在的情况下，区分流体动力学与扩散主导的粗化机制。
• 考察玻璃态区域中微观弛豫动力学与宏观域演化之间的关系。
• 评估在玻璃态的超慢粗化过程中，动态标度是否仍然成立。

提出的方法

• 采用分子动力学（MD）模拟研究双组分混合物，其中 A-A 和 B-B 相互作用由相同的 Lennard-Jones 势描述。
• 引入尺寸多分散性以防止结晶，同时保持系统对称性。
• 使用半正则系综蒙特卡罗模拟确定共存温度和相边界。
• 定义关键温度：$T_{\rm onset}$（玻璃态动力学的 onset 温度）和 $T_{\rm g,sim}$（模拟玻璃化转变温度）。
• 通过结构因子一阶矩和弦长方法测量域尺寸，以验证动态标度。
• 分析两时间相关函数，以探测微观弛豫动力学和老化行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 相分离动力学在不同温度区域（特别是低于玻璃化转变温度时）如何演化？
• RQ2 在玻璃态区域中，域生长的性质是什么——是否遵循扩散型、流体动力学型，或一种新型粗化规律？
• RQ3 玻璃态中缓慢粗化在多大程度上由类似于纯玻璃形成体的老化行为的微观动力学所驱动？
• RQ4 在超慢粗化区域，域结构的动态标度是否仍然成立？
• RQ5 浓度场的存在在多大程度上影响微观弛豫，相较于均匀玻璃形成体系？

主要发现

• 在 $T > T_{\rm onset}$ 时，域生长遵循流体动力学粗化，$\xi \propto t^{2/3}$，表明流体动力学输运占主导。
• 在 $T_{\rm onset} > T > T_{\rm g,sim}$ 区域，出现短暂的弱幂律生长，随后过渡到扩散型粗化 $\xi \propto t^{1/3}$。
• 在 $T_{\rm g,sim}$ 以下，域生长变得对数缓慢或比对数更慢，在模拟时间内未见饱和迹象。
• 尽管存在极端减慢，结构因子仍表现出动态标度，具有单一标度函数，表明域形态具有自相似性。
• 在 $T_{\rm onset}$ 以下，微观动力学表现出强烈的等待时间依赖性，类似于纯玻璃形成体中的老化行为，但其弛豫速度比均匀体系更快。
• 缓慢粗化与流体动力学效应解耦，而是与局部动力学的老化样减慢相关，这一结论得到修正的 Cahn-Hilliard 模型的支持。