Er glasovergangen drevet af termodynamik?

Glassige stoffer er overalt, alligevel er denne tilstandstilstand ikke fuldstændig forstået. Det grundlæggende billede er klart nok - glas er faste stoffer, der mangler den regelmæssige atomstruktur i en krystal. Hvordan og hvorfor de dannes, imidlertid, er spørgsmål, der har holdt fysikerne travlt i årtier. Nu, forskning fra Japan har vist, at glasdannelse kan forstås, hvis væskestruktur er korrekt beskrevet.

I Fysisk gennemgang X , forskere fra University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) giver en detaljeret undersøgelse af de strukturelle ændringer under glasovergang. I et veldesignet sæt af molekylære dynamiksimuleringer, de havde til formål at afgøre, om processen grundlæggende er termodynamisk (afhængig af en form for statisk orden) eller dynamisk (drevet af tilfældige atombevægelser).

Holdet simulerede superkølede væsker nær overgangspunktet, temperaturen, hvor partikeldiffusionen stopper, og der opstår et amorft fast stof. Målet var at finde en forbindelse mellem strukturelle mønstre og afmatning af atombevægelse, dvs. om atomer i nye strukturer er mindre mobile end i uordnede områder. Hvis den findes, denne struktur-dynamiske korrelation ville verificere, at termodynamik styrer dannelsen af ​​briller, lige som for krystaller. Det ville være et stort skridt hen imod en universel teori. Imidlertid, da briller tilsyneladende er langtrækkende, betydningen af ​​lokal orden er undvigende.

I hver simulering, teamet kvantificerede, hvor godt atomerne pakkede sammen i kølevæsken ved at måle en strukturel ordensparameter. Som studieforfatter Hua Tong forklarer, "Vi var omhyggelige med at definere orden som enhver lokal emballage, der var sterisk favoriseret, ikke bare krystallinsk pakning. Når atomerne blev klassificeret efter dette kriterium og derefter kvantificeret efter deres omgivelser, kendt som grovkornet, der opstod en klar sammenhæng mellem strukturel orden og dynamik. "Med andre ord:mere ordnede atomer var faktisk mindre mobile.

Glasdannelse sker på to tidsskalaer:en langsom alfa (α) proces og en hurtig beta (β) proces. Forbindelsen mellem disse tilstande er - som meget andet i glasteori - indhyllet i mystik. IIS-teamet fandt, at struktur-dynamik-korrelationen var stærkest, når en specifik længde blev brugt til grovkorning. Denne længde, som gradvist øges efterhånden som væsken afkøles, svarer pænt til den karakteristiske længde af dynamisk heterogenitet, der maksimerer på α -tidsskalaen. I mellemtiden, selve atomernes størrelse er knyttet til den hurtige β -tilstand. Derfor, hver glasdannende væske afhænger af dette par iboende, karakteristiske længder.

"Opdagelsen af ​​disse længdeskalaer løser to problemer på én gang, "siger forfatteren Hajime Tanaka." Først, ved hjælp af robust statistik, vi viser, at glasdannelse virkelig er termodynamisk. På trods af deres tilsyneladende tilfældighed, glasagtige væsker viser subtil rækkefølge, dog mindre retningsbestemt end i krystaller. Sekund, α- og β-tilstandene har en fælles strukturel oprindelse, selvom de følger forskellige længdeskalaer. Dette afslører en iboende forbindelse mellem disse to vigtige dynamiske tilstande. Nu, spørgsmålet er, om struktur-dynamik-linket er mere end bare en sammenhæng. I fremtiden håber vi på at finde en direkte kausalitet. "

Artiklen, "Afslører skjult strukturel orden, der styrer både hurtig og langsom glasagtig dynamik i underkølede væsker, "blev offentliggjort i Fysisk gennemgang X på doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011041