Muitas características de sólidos amorfos, tais como propriedades de transporte, de vibração e reologia são pouco compreendidas. Uma das principais razões é a falta de conhecimento sobre a estrutura microscópica dos vidros. Esta questão não pode ser tratada sem uma melhor compreensão de como estes sólidos são formados: já que sólidos amorfos são sistemas fora do equilíbrio, sua estrutura depende de sua história. Isto motiva um melhor entendimento dos mecanismos microscópicos responsáveis pela transição vitrosa. Trabalhos recentes estabeleceram a presença de modos macios estendidos em certos vidros e relacionaram sua presença a características geométricas do empacotamento das partículas. Nosso objetivo neste trabalho é mostrar que estes modos estão envolvidos na dinâmica dos vidros, e fazer algumas predições sobre a estrutura espacial da relaxação estrutural e sobre a estrutura microscópica destes materiais. Utilizaremos em particular o vidro de esferas duras. Primeiramente estabelecemos uma equivalência entre as esferas duras e sistemas elásticos, o que nos permite mostrar que os modos macios caracterizam J a energia livre do sistema. Num segundo momento, estudamos teórica e numericamente o papel destes modos para a dinâmica, tanto na transição vitrosa quanto durante a fase vitrosa, onde o sistema envelhece. Nossos principais resultados são a derivação de algumas leis de potência sobre dinâmica e a estrutura, as quais são medidas numericamente e válidas durante tada a fase vitrosa. Entre outros resultados, encontramos: (i) o vidro de esferas duras vive muito próximo da estabilidade marginal, o que leva a uma lei de potência entre coordenação e o empacotamento das partículas, (ii) prevemos uma divergência crítica do tamanho das regiões de rearranjo quando o sistema se aproxima do seu empacotamento máximo aleatório, a qual foi recentemente verificada por outro trabalho e (iii) mostramos que a estabilidade marginal leva à anomalia-p, que, em particular, pode ser observada pelo acentuado deslocamento quadrático médio das partículas em torno de um estado metaestável. / Many properties of amorphous solids, such as transport, rheology or vibrational properties, are poorly understood. One of the main reasons for that is our lack of knowledge of the microscopic structure of glasses. This question cannot be approached without a better understanding of how these solids are formed: since amorphous solids are generically out off equilibrium, their structure depends on their past history. This motivates a better understanding of the microscopic mechanisms underlying the glass transition. Recent works have established the presence of extended soft modes in the structure of certain glasses, and have related their presence to the geometrical feature of the particle packing. Our present goal is to show that these modes are involved in the dynamics of glasses, and to make several predictions on the spatial nature of structural relaxation and on the microscopic structure. We shall focus in particular on hard sphere glasses. We shall first establish an equivalence between hard sphere glasses and elastic systems, which enables to show that soft modes characterize the free-energy of hard spheres. Then we study theoretically and numerically the role of these modes for the dynamics, both at the glass transition and deep in the glass phase where aging occurs. Our main results are the derivation of several power laws on the dynamics and the structure, that we confirm numerically and observe to be valid throughout the glass phase, among others: (i) the hard sphere glass lies very close to marginal stability, which leads to an observed power law relation between coordination and the packing fraction; (ii) the prediction of a critical divergence of the size of rearranging regions when the system approaches its maximum packing, which was recently verified ; and that (iii) marginal stability leads to a J3-anomaly, which can be observed, in particular, by the accentuated mean squared displacement of the particles during a metastable state.

Muitas características de sólidos amorfos, tais como propriedades de transporte, de vibração e reologia são pouco compreendidas. Uma das principais razões é a falta de conhecimento sobre a estrutura microscópica dos vidros. Esta questão não pode ser tratada sem uma melhor compreensão de como estes sólidos são formados: já que sólidos amorfos são sistemas fora do equilíbrio, sua estrutura depende de sua história. Isto motiva um melhor entendimento dos mecanismos microscópicos responsáveis pela transição vitrosa. Trabalhos recentes estabeleceram a presença de modos macios estendidos em certos vidros e relacionaram sua presença a características geométricas do empacotamento das partículas. Nosso objetivo neste trabalho é mostrar que estes modos estão envolvidos na dinâmica dos vidros, e fazer algumas predições sobre a estrutura espacial da relaxação estrutural e sobre a estrutura microscópica destes materiais. Utilizaremos em particular o vidro de esferas duras. Primeiramente estabelecemos uma equivalência entre as esferas duras e sistemas elásticos, o que nos permite mostrar que os modos macios caracterizam J a energia livre do sistema. Num segundo momento, estudamos teórica e numericamente o papel destes modos para a dinâmica, tanto na transição vitrosa quanto durante a fase vitrosa, onde o sistema envelhece. Nossos principais resultados são a derivação de algumas leis de potência sobre dinâmica e a estrutura, as quais são medidas numericamente e válidas durante tada a fase vitrosa. Entre outros resultados, encontramos: (i) o vidro de esferas duras vive muito próximo da estabilidade marginal, o que leva a uma lei de potência entre coordenação e o empacotamento das partículas, (ii) prevemos uma divergência crítica do tamanho das regiões de rearranjo quando o sistema se aproxima do seu empacotamento máximo aleatório, a qual foi recentemente verificada por outro trabalho e (iii) mostramos que a estabilidade marginal leva à anomalia-p, que, em particular, pode ser observada pelo acentuado deslocamento quadrático médio das partículas em torno de um estado metaestável. / Many properties of amorphous solids, such as transport, rheology or vibrational properties, are poorly understood. One of the main reasons for that is our lack of knowledge of the microscopic structure of glasses. This question cannot be approached without a better understanding of how these solids are formed: since amorphous solids are generically out off equilibrium, their structure depends on their past history. This motivates a better understanding of the microscopic mechanisms underlying the glass transition. Recent works have established the presence of extended soft modes in the structure of certain glasses, and have related their presence to the geometrical feature of the particle packing. Our present goal is to show that these modes are involved in the dynamics of glasses, and to make several predictions on the spatial nature of structural relaxation and on the microscopic structure. We shall focus in particular on hard sphere glasses. We shall first establish an equivalence between hard sphere glasses and elastic systems, which enables to show that soft modes characterize the free-energy of hard spheres. Then we study theoretically and numerically the role of these modes for the dynamics, both at the glass transition and deep in the glass phase where aging occurs. Our main results are the derivation of several power laws on the dynamics and the structure, that we confirm numerically and observe to be valid throughout the glass phase, among others: (i) the hard sphere glass lies very close to marginal stability, which leads to an observed power law relation between coordination and the packing fraction; (ii) the prediction of a critical divergence of the size of rearranging regions when the system approaches its maximum packing, which was recently verified ; and that (iii) marginal stability leads to a J3-anomaly, which can be observed, in particular, by the accentuated mean squared displacement of the particles during a metastable state.

Muitas características de sólidos amorfos, tais como propriedades de transporte, de vibração e reologia são pouco compreendidas. Uma das principais razões é a falta de conhecimento sobre a estrutura microscópica dos vidros. Esta questão não pode ser tratada sem uma melhor compreensão de como estes sólidos são formados: já que sólidos amorfos são sistemas fora do equilíbrio, sua estrutura depende de sua história. Isto motiva um melhor entendimento dos mecanismos microscópicos responsáveis pela transição vitrosa. Trabalhos recentes estabeleceram a presença de modos macios estendidos em certos vidros e relacionaram sua presença a características geométricas do empacotamento das partículas. Nosso objetivo neste trabalho é mostrar que estes modos estão envolvidos na dinâmica dos vidros, e fazer algumas predições sobre a estrutura espacial da relaxação estrutural e sobre a estrutura microscópica destes materiais. Utilizaremos em particular o vidro de esferas duras. Primeiramente estabelecemos uma equivalência entre as esferas duras e sistemas elásticos, o que nos permite mostrar que os modos macios caracterizam J a energia livre do sistema. Num segundo momento, estudamos teórica e numericamente o papel destes modos para a dinâmica, tanto na transição vitrosa quanto durante a fase vitrosa, onde o sistema envelhece. Nossos principais resultados são a derivação de algumas leis de potência sobre dinâmica e a estrutura, as quais são medidas numericamente e válidas durante tada a fase vitrosa. Entre outros resultados, encontramos: (i) o vidro de esferas duras vive muito próximo da estabilidade marginal, o que leva a uma lei de potência entre coordenação e o empacotamento das partículas, (ii) prevemos uma divergência crítica do tamanho das regiões de rearranjo quando o sistema se aproxima do seu empacotamento máximo aleatório, a qual foi recentemente verificada por outro trabalho e (iii) mostramos que a estabilidade marginal leva à anomalia-p, que, em particular, pode ser observada pelo acentuado deslocamento quadrático médio das partículas em torno de um estado metaestável. / Many properties of amorphous solids, such as transport, rheology or vibrational properties, are poorly understood. One of the main reasons for that is our lack of knowledge of the microscopic structure of glasses. This question cannot be approached without a better understanding of how these solids are formed: since amorphous solids are generically out off equilibrium, their structure depends on their past history. This motivates a better understanding of the microscopic mechanisms underlying the glass transition. Recent works have established the presence of extended soft modes in the structure of certain glasses, and have related their presence to the geometrical feature of the particle packing. Our present goal is to show that these modes are involved in the dynamics of glasses, and to make several predictions on the spatial nature of structural relaxation and on the microscopic structure. We shall focus in particular on hard sphere glasses. We shall first establish an equivalence between hard sphere glasses and elastic systems, which enables to show that soft modes characterize the free-energy of hard spheres. Then we study theoretically and numerically the role of these modes for the dynamics, both at the glass transition and deep in the glass phase where aging occurs. Our main results are the derivation of several power laws on the dynamics and the structure, that we confirm numerically and observe to be valid throughout the glass phase, among others: (i) the hard sphere glass lies very close to marginal stability, which leads to an observed power law relation between coordination and the packing fraction; (ii) the prediction of a critical divergence of the size of rearranging regions when the system approaches its maximum packing, which was recently verified ; and that (iii) marginal stability leads to a J3-anomaly, which can be observed, in particular, by the accentuated mean squared displacement of the particles during a metastable state.

Orientador: Alex Antonelli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-30T22:57:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlvarezDonado_ReneAlberto_M.pdf: 4171490 bytes, checksum: e9cef25e59956ed4e6201f408c88c61c (MD5) Previous issue date: 2016 / Resumo: Através de simulações de dinâmica molecular (MD) estudou-se o comportamento da viscosidade como função da temperatura para a liga Cu46Zr47Al7 que apresenta uma transição dinâmica frágil - forte. A interação entre as partículas foi modelada pelo potencial Modified Embeddded Atom Method (MEAM). As simulações de dinâmica molecular foram feitas usando as equações de Nosé-Hover e a viscosidade foi calculada pela fórmula de Green-Kubo. Observou-se que para uma temperatura reduzida (Tg/T ) de 0.8, o comportamento da viscosidade muda de frágil para forte. Usando a equação de Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) em nossos resultados da simulação, observou-se que os valores da viscosidade calculados acima de 0.8 não são bem descritos por este ajuste, o que pode ser entendido como uma mudança no comportamento da viscosidade depois de atingir essa temperatura. A regressão feita usando a equação do VFT deu um valor limitante inferior para a temperatura de transição vítrea de 650K, o qual é um valor próximo da temperatura de transição vítrea reportada para estas ligas / Abstract: By means of molecular dynamic simulation (MD) we studied the behavior of the viscosity of a Cu46Zr47Al7 alloy, as a function of temperature, which displays a fragile - strong transition. Interactions between particles are modeled using the Modified Embedded Atom Method (MEAM). For the molecular simulations, we used the Nosé-Hoover equations, while the Green-Kubo formula gave us the viscosity. It was observed that, for a reduced temperature (Tg/T ) of 0.8, the behavior of the viscosity changes from fragile to strong. Using the Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) equation in our results from the simulation, we noticed that the viscosity values above of 0.8 reaching this temperature. The regression achieved by VFT equation gave us a lowerbound value of 650K for the glass transition, which is very close to the glass transition temperature reported for this kind of alloys / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1370420/2014 / CAPES

Orientador: Maurice de Koning / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-13T12:16:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarvajalJara_DiegoAlejandro_M.pdf: 4649880 bytes, checksum: d014cd5c835938e4643e478fa70353be (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Recentemente tem sido proposta a existência de uma transição líquido-líquido em substâncias puras com o propósito de explicar alguns comportamentos anômalos como os incrementos de funções resposta (compressibilidade isotérmica, coeficiente de expansão térmica, calor específico) ao diminuir a temperatura de um líquido. A existência deste tipo de transição foi demostrada experimentalmente para o fósforo por dispersão de raios X, e através de simulações atomísticas ou de primeiros princípios para a água, o silício, o carbono, etc. A compreensão detalhada deste tipo de transição está intimamente relacionada à questão fundamental de quais fatores físicos controlam as propriedades de um líquido, e portanto o estudo desta é de grande importância para o desenvolvimento de novas tecnologias, a síntese de novos materiais e o controle de suas propriedades. Neste trabalho realizamos simulações atomísticas sobre um sistema de 1152 partículas de Gálio submetidas a um potencial semi-empírico MEAM, com condições periódicas de contorno. Com estas simulações procuramos uma transição líquido-líquido no Gálio através de um processo de eliminação de três teorias. Inicialmente mostramos que o limite de metaestabilidade do líquido super-aquecido tem um comportamento monótono decrescente no plano de fase P-T. Posteriormente nosso sistema apresenta histerese, uma descontinuidade no volume, estruturas locais diferentes, duas fases que fluem, e um calor latente característico de uma transição de fase de primeira ordem. Por todas estas razões concluímos que o sistema simulado apresenta um transição líquido-líquido de primeira ordem. Adicionalmente foram realizadas compressões e expansões isotérmicas para temperaturas diferentes, observando que estes processos também apresentam histerese e que ela diminui com o aumento da temperatura, indicando assim a possível existência de um segundo ponto crítico e a finalização da transição líquido-líquido. Finalizamos o trabalho com a obtenção e a caracterização de uma possível nova fase cristalina do Gálio cuja estrutura ainda não tem sido obtida experimentalmente. Esta fase foi obtida por casualidade durante o estudo da existência de uma transição líquido-líquido no Gálio ao tencionar o Gálio a -1.6GPa. Sua estrutura é do tipo ortorrômbica com uma simetria Cmcm (grupo espacial 63) e sua principal diferença do Gálio-I é a orientação dos dímeros de Gálio, que nesta nova fase estão dispostos paralelamente. Simulações por DFT mostraram que esta nova fase é metaestável a pressão nula e chega a ser estável a pressões negativas abaixo de ~ 1.5GPa. / Abstract: Recently, the existence of a liquid-liquid transition in pure substances has been proposed as an explanation of anomalous behaviors such as the increase of response functions (isothermal compressibility, coefficient of thermal expansion, specific heat) with decreasing temperature displayed by some liquids. The existence of this type of transition has been demonstrated experimentally for phosphorous by X-ray diÿraction, and through atomistic simulations for water, silicon and carbon. The detailed understanding of this type of transition is closely related to the fundamental question of which physical factors control the properties of a liquid. Therefore, the study of this phenomenon is of great importance for the development of new technologies, the synthesis of new materials and the control of their properties. In this work, we carry out a series of atomistic simulations of a system containing 1152 Gallium atoms described by a semi-empirical Modified Embedded-Atom Model subject to periodic boundary conditions. By means of these simulations we search for a liquid-liquid transition in Gallium by means of a process of elimination of three theories. Initially we show that the limit of metastability of the superheated liquid has a decreasing monotonous behavior in the pressure-temperature phase diagram. Subsequently, our system presents hysteresis, a discontinuity in volume, two phases that have different local atomic structures and display diffusion, and a latent heat, all characteristic of a first-order phase transition. For all these reasons we conclude that the simulated system presents a liquid-liquid phase transition of first-order in the supercooled regime. In addition, we carried out several simulations of isothermal compressions and expansions for different temperatures. These results also show hysteresis although it is found to decrease with increasing temperature, thus indicating the possible existence of a second critical point at which the liquid-liquid transition ends. We finish our studies with the discovery and characterization of a crystalline phase of Gallium whose structure has not been observed experimentally. This phase was obtained by chance during the study of the existence of a liquid-liquid transition in Gallium under tension of -1.6GPa. Its structure is of the orthorhombic type with Cmcm symmetry (space group 63). Its main difference with respect to the Gallium-I phase is that in the new phase the Gallium dimers are disposed in a parallel fashion. Subsequent DFT simulations show that this new phase is metastable at zero pressure and predict it to become stable with respect to Gallium-I arrives at negative pressures below ~1.5GPa. / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Orientadores: Alex Antonelli, Maurice de Koning / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-18T18:03:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CajahuaringaMacollunco_OscarSamuel_M.pdf: 6673580 bytes, checksum: a344f89389b318a79fb73ef903615a6b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A física dos líquidos super-resfriados é um dos problemas para o qual ainda não existe uma única teoria que tenha capturado com sucesso todas as características destes materiais, principalmente a origem da dinâmica complexa, e também a possível ocorrência de transições líquido-líquido nesse regime. Nosso trabalho está focado nas propriedades dinâmicas do gálio, que é evidenciada pelas funções de correlação temporais antes e depois da transição de fase líquido-líquido. Primeiro, foram feitas simulações atomísticas no gálio através de dinâmica molecular usando o modied embedded atom model (MEAM) e condições periódicas de contorno em uma super-célula contendo 1152 átomos, com o propósito de mostrar a transição de fase líquido-líquido obtida em recentes pesquisas teóricas. Para estudar a dinâmica do sistema como um todo, calculamos o deslocamento quadrático médio, que revela o platô em tempos intermediários, o qual se torna mais notório após a transição líquido-líquido. Esse comportamento pode ser originado por uma dinâmica espacialmente homogênea ou uma dinâmica espacialmente heterogênea. Para saber qual das duas hipóteses é mais relevante foi medido o parâmetro não-gaussiano de ordem 2, porque este nos fornece informação do grau de heterogeneidade dinâmica do sistema, e que mostrou que nosso sistema possui uma dinâmica heterogênea. Posteriormente, foi calculada a auto-função intermediária de espalhamento usando o método da transformada rápida de Fourier que é mas eciente para tempos de correlação longos. Esta função fornece a correlação na densidade de partículas no espaço recíproco, que mostra também um platô em tempos intermediários. Com o fim de analisar como relaxa cada partícula, baseados na ideia da dinâmica espacialmente heterogênea, foi possível separar as partículas pela sua dinâmica em dois grupos, um grupo que possui a dinâmica mais difusiva e outro que possui a dinâmica menos difusiva. Finalmente, foram caracterizados estruturalmente esses dois grupos e, comparando-os com as funções estruturais do sistema todo, concluímos que as duas fases presentes no líquido depois da transição, o líquido de alta densidade possui uma dinâmica mais difusiva e o líquido de baixa densidade possui uma dinâmica menos difusiva. Foi possível com estes resultados identicar espacialmente as duas fases líquidas e observar claramente os seus próprios domínios e que estes não estão misturados / Abstract: The physics of supercooled liquids still lacks a single theory which can successfully capture all features of these materials, mainly the cause for their complex dynamics and the possibility of liquid-liquid phase transitions in this regime. Our work is focused on the dynamics of liquid gallium, which was investigated through the correlation functions before and after the liquid-liquid phase transition. First, atomistic simulations were performed using the modied embedded atom model (MEAM) and periodical boundary conditions in a 1152-atom supercell, in order to obtain the liquid-liquid phase transition observed in recent previous simulations. To study the dynamics of the whole system, we calculate the mean square displacement, which shows the plateau for intermediate times that becomes much more noticeable after the liquidliquid transition. This behavior can be caused by either a spatially homogeneous dynamics or a spatially heterogeneous dynamics. In order to find out which hypothesis is more relevant for our case, the second order non-Gaussian parameter was determined, since it provides the degree of heterogeneity of the dynamics of the system, showing that system exhibits a heterogeneous dynamics. Later, the self-intermediate scattering function was calculated using the fast Fourier transform method, which is more ecient for long correlation times. This function gives the density particle correlation in reciprocal space, showing a plateau in intermediate times as well. In order to analyze how each particle relaxes, based on the idea of a spatially heterogeneous dynamics, it was possible to gather the particles according to their mobility in two groups, one which has a more diffuse dynamics and another which has a less diffuse dynamics. Finally, these two groups were structurally characterized and by comparing them with the structural functions of the whole system, it was possible to determine that the liquid of higher density has a more diffusive dynamics, whereas the lower density liquid has less diffusive dynamics. From these results we were able to spatially identify the two liquid phases, which clearly display their own domains that do not mix with each other / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física