Масштабирование описания динамической неоднородности и лавин релаксации в стеклообразующих жидкостях
Учёные предлагают новую теоретическую основу для объяснения динамических неоднородностей в стеклообразующих жидкостях. Идея состоит в том, что релаксация в них происходит за счет локальных перестроек, которые влияют друг на друга посредством упругих взаимодействий. Исследуя взаимодействия между локальными перестройками, упругими взаимодействиями и тепловыми флуктуациями, учёные сформулировали комплексную теорию коллективной динамики таких систем.
Карта пространственной релаксации в двумерной модели жидкости. Более яркие области указывают места, где частицы значительно перемещались в течение некоторого интервала времени, в темных областях движение происходило незначительно. На этом изображении раскрывается фрактальная природа процесса релаксации, формируемая как тепловыми флуктуациями, так и упругими взаимодействиями.
Фото: Тахаи и др., 2023 г.
Стекло, несмотря на кажущуюся прозрачность и жесткость, является сложным и интересным материалом. Когда жидкость охлаждается до образования стекла, ее динамика значительно замедляется, что приводит к ее уникальным свойствам.
Этот процесс, известный как «стеклование», десятилетиями озадачивал ученых. Но одним из его интригующих аспектов является появление «динамических неоднородностей», когда динамика становится все более коррелированной и прерывистой по мере того, как жидкость остывает и приближается к температуре стеклования.
В новом исследовании исследователи предлагают новую теоретическую основу для объяснения этих динамических неоднородностей в стеклообразующих жидкостях. Идея состоит в том, что релаксация в этих жидкостях происходит за счет локальных перестроек, которые влияют друг на друга посредством упругих взаимодействий. Исследуя взаимодействие между локальными перестройками, упругими взаимодействиями и тепловыми флуктуациями, исследователи сформулировали комплексную теорию коллективной динамики этих сложных систем.
Исследование является результатом сотрудничества профессора Матье Вайарта из EPFL и его коллег из Института Макса Планка в Дрездене, ENS, Университета Гренобль-Альпы и Центра системной биологии Дрездена. Теперь оно опубликовано в Physical Review X.
Команда разработала «теорию масштабирования», которая объясняет рост длины динамической корреляции, наблюдаемый в стеклообразующих жидкостях. Эта длина корреляции связана с «тепловыми лавинами», редкими событиями, вызванными тепловыми флуктуациями , которые затем вызывают последующий всплеск более быстрой динамики.
Теоретическая основа исследования также дает представление о распаде Стока-Эйнштейна — явлении, при котором вязкость жидкости теряет связь с диффузией ее частиц.
Чтобы подтвердить свои теоретические предсказания, исследователи провели обширное численное моделирование в различных условиях. Эти симуляции подтвердили точность их теории масштабирования и ее способность описывать наблюдаемую динамику в стеклообразующих жидкостях.
Исследование не только углубляет наше понимание динамики стекла, но и предлагает новый подход к изучению свойств некоторых других сложных систем, в которых динамика прерывистая — особенности, что, как известно, возникают в ряде ситуаций, от активности мозга до скольжения между трущимися предметами.
«Наша работа связывает рост длины динамической корреляции в жидкостях с релаксациями лавинного типа, хорошо изученными, например, в контексте неупорядоченных магнитов, сыпучих материалов и землетрясений», — говорит Матье Вайарт. «Таким образом, этот подход выстраивает неожиданные мосты между другими областями. Таким образом, наше описание того, как на лавины влияют экзогенные колебания, в том числе термические, может представлять более общий интерес».
