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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

Orientador: Alex Antonelli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-29T05:01:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CajahuaringaMacollunco_OscarSamuel_D.pdf: 15985103 bytes, checksum: f54d17d6335170c62196c9e329f257d9 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Apesar de serem substâncias muito diferentes, silício e gálio, na fase líquida, compartilham muitas anomalias nas suas propriedades termodinâmicas. Evidências teóricas e experimentais sugerem que esses líquidos podem sofrer a chamada transição de fase líquido-líquido (LLPT). Especula-se que este tipo de transição é acompanhada por uma transição dinâmica entre um líquido frágil e um líquido forte, com base nas hipóteses de que o surgimento de um "dip" na função auto-intermediária de espalhamento logo após o regime balístico e o aparecimento do excesso de modos vibracionais em baixas frequências após a LLPT estariam relacionados com o comportamento de líquidos fortes. Foi realizado um estudo da dinâmica desses sistemas através das funções de correlação nas vizinhanças da LLPT usando simulações clássicas. Observamos apenas no caso do silício o aparecimento do "dip" na função auto-intermediária de espalhamento. A densidade de estados vibracionais reduzida de ambos os líquidos apresenta picos em baixas frequências, sugerindo que ambos os líquidos seriam fortes. Desta forma, nos dois casos estudados, as duas hipóteses não são conclusivas. Visando um melhor entendimento, determinamos a viscosidade de cisalhamento de ambos os líquidos em um amplo intervalo de temperatura. A apresentação desses resultados no chamado gráfico de Angell, indica que, em ambos os casos, a LLPT é acompanhada de uma transição de um líquido frágil para um líquido menos frágil, o que não dá suporte às especulações de uma transição frágil-forte. Além de investigar a LLPT em gálio "bulk", foi também estudado o gálio líquido confinado em nanofendas, ou seja, um sistema quase-bidimensional. Foi observada a transição de fase de primeira ordem entre um líquido isotrópico e um líquido ordenado. Por meio de uma série de análises estruturais, tanto de ordem translacional quanto orientacional, conseguimos identificar o líquido ordenado como a fase hexática, que é prevista ocorrer em sistemas bidimensionais segundo a teoria de Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY). Como a LLPT em gálio bulk foi identificada em simulações de dinâmica clássica, realizamos um estudo visando obter evidência da LLPT em simulações de primeiros princípios, que são em princípio mais realísticas. Utilizando o chamado método-Z, que permite estimar a temperatura de fusão, determinamos que o regime super-resfriado do gálio líquido descrito por cálculos de primeiros princípios ocorre em temperaturas abaixo de 400 K. Partindo de um líquido em equilíbrio em 500 K, realizamos simulações a pressão constante igual a zero em que o líquido foi resfriado para 260 K em um intervalo de 145 ps. Não foi observada uma mudança abrupta no volume durante o resfriamento. A fim de melhorar a amostragem em nossas simulações de primeiros princípios, realizamos um estudo de dinâmica molecular a volume constante com troca de réplicas. Foram usadas um total de 10 réplicas entre 400 K e 260 K, em simulações com a duração de 100 ps. Neste caso, a pressão decresceu monotonicamente com a temperatura, o que é característico de líquidos simples que não sofrem LLPT. Cabe ressaltar que nas simulações clássicas que identificaram a LLPT em gálio, a taxa de resfriamento foi muito mais lenta, da ordem de nano-segundos, que seria inexequível para simulações de primeiros princípios / Abstract: Despite of being very different substances, silicon and gallium, in their liquid phase, share several anomalous thermodynamic properties. Theoretical and experimental evidence suggest that these liquids can undergo the so-called liquid-liquid phase transition (LLPT). There has been speculated that this transition is accompanied by a dynamic transition form a fragile liquid to a strong liquid, based on the hypothesis that the development of a dip in the self-intermediate scattering function, just after the ballistic regime, and the appearance of excess low frequency vibrational modes just after the LLPT would be related to the behavior of strong liquids. It was performed a study of the dynamics of these systems through the correlation functions in the vicinity of the LLPT using classical simulations. We observed the development of a dip in the self-intermediate scattering function only in the case o silicon. The reduced density of vibrational states of both liquids exhibits peaks in low frequencies, suggesting both liquids to be strong. Therefore, for the two cases we studied, the two hypotheses are not conclusive. In order to achieve a better understanding, we determined the shear viscosity of both liquids for a wide range of temperatures. By plotting the data in the so-called Angell plot one can see that, in both cases, the LLPT is accompanied by a transition of a fragile liquid to a less fragile liquid, which does not give support to the speculations of a fragile-to-strong transition. Aside from investigating the LLPT in bulk gallium, it was also studied liquid gallium confined in nanoslits. i.e., a quasi two-dimensional system. It was observed a first-order transition between an isotropic liquid and an ordered liquid. Through a series of structural analyses, both translational and orientational, we were able to identify the ordered liquid as the hexatic phase, which is predict to occur in two-dimensional systems according to the Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) theory. Since the LLPT in gallium has been found in classical molecular dynamics simulations, we performed a study aimed to obtain evidence of the LLPT in first-principles simulations, which are, in principle, more realistic. Using the so-called Z-method, which allows one to estimate the melting temperature, we determined the supercooled regime of liquid gallium, described by first-principles, to occur below 400 K. Starting from an equilibrated liquid at 500 K, we performed simulations at zero pressure in which the liquid was cooled down to 260 K in an interval of 145 ps. No abrupt change in the volume was observed as the liquid was cooled. In order to improve sampling in our first-principles simulations, we performed a study using constant volume molecular dynamics with replica exchange. Ten replicas were used between 400 K and 260 K, in simulations 100 ps long. In this case, pressure decreased monotonically with temperature, which is the behavior of simple liquids, which do not exhibit the LLPT. It should be emphasized that in the classical simulations that identified the LLPT in gallium, the cooling rates were much slower, of the order of nanoseconds, which would be unfeasible for first-principles simulations / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 1000949 / CAPES