[论文解读] Unexpected Universality in the Viscosity of Metallic Liquids

M. E. Blodgett, T. Egami+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2014

Material Dynamics and Properties参考文献 49被引用 5

一句话总结

本研究揭示了金属液体粘度的普适标度律，表明粘度与其无穷温 extrapolation 之比遵循 Tcoop/T 的单一函数，其中 Tcoop 标记了协同运动的 onset，且与玻璃化转变温度强相关。研究结果表明，无穷温粘度约为 nh，其中 h 为普朗克常数，n 为粒子数密度，揭示了在多种金属液体中出人意料的普适性。

ABSTRACT

The range of the magnitude of the liquid viscosity as a function of the temperature (T) is one of the most impressive of any physical property, changing by approximately 17 orders of magnitude from its extrapolated value at infinite temperature to that at the glass transition. We present experimental measurements of containerlessly processed metallic liquids that reveal that the ratio of the viscosity to its extrapolated infinite temperature value follows a universal function of Tcoop/T. The temperature Tcoop corresponds to the onset of cooperative motion and is strongly correlated with the glass transition temperature. On average the extrapolated infinite temperature viscosity is found to be nh, where h is Planck's constant and n is the particle number density. A surprising universality in the viscosity of metallic liquids and its relation to the glass transition is demonstrated.

研究动机与目标

• 研究在无容器加工条件下金属液体粘度的温度依赖性。
• 确定不同金属液体的粘度标度是否表现出普适行为。
• 探讨协同运动 onset（Tcoop）与玻璃化转变温度之间的关系。
• 量化无穷温粘度并评估其与粒子数密度及普朗克常数的依赖关系。

提出的方法

• 在无容器条件下对金属液体进行粘度的实验测量，以避免表面和容器效应。
• 通过其外推的无穷温值对粘度数据进行归一化，以识别普适标度行为。
• Tcoop 被确定为协同运动的 onset，源自动态异质性分析。
• 将归一化粘度对 Tcoop/T 绘图，以检验是否存在普适函数依赖性。
• 利用斯托克斯-爱因斯坦关系外推无穷温粘度，并与 nh 产品进行验证。
• 对多种金属体系的统计分析证实了标度函数的一致性以及 nh 依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当以无穷温值归一化时，金属液体的粘度是否遵循普适标度函数？
• RQ2 标记协同运动 onset 的温度 Tcoop 与玻璃化转变温度之间有何关系？
• RQ3 金属液体的无穷温粘度是否普遍与普朗克常数和粒子数密度相关？
• RQ4 当以 Tcoop/T 为横坐标绘制时，不同金属液体在多大程度上能汇聚到同一条粘度标度曲线上？

主要发现

• 在不同体系中，金属液体的归一化粘度均汇聚到 Tcoop/T 的单一普适函数上。
• 温度 Tcoop 与玻璃化转变温度强相关，表明其具有共同的动力学起源。
• 无穷温粘度被发现约为 nh，其中 h 为普朗克常数，n 为粒子数密度。
• 所观察到的普适性暗示了量子尺度常数与金属液体宏观输运之间存在根本联系。
• 该标度函数在不同金属元素中均表现稳健，表明存在共同的潜在动力学机制。
• 结果支持了协同运动、玻璃化转变与液体动力学中量子尺度极限之间存在深层联系。