DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35024-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41520008
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Vitaly Kocherbitov وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات المواد وخصائصها
نظرة عامة
الانتقال الزجاجي هو ظاهرة معقدة في علم المادة المكثفة، تُدرس تقليديًا من خلال أساليب الديناميكا الحرارية والديناميكية. تقترح هذه الدراسة إطارًا جديدًا يدمج هذه الأساليب، مع التركيز على زمن الاسترخاء المعتمد على درجة الحرارة كمعامل رئيسي. يستنتج المؤلفون معادلات لدرجة حرارة الانتقال الزجاجي بناءً على معلمات الاسترخاء، كاشفين أن زمن الاسترخاء عند الانتقال الزجاجي ليس ثابتًا، كما يُفترض عادةً، بل يتغير وفقًا للخصائص الداخلية للنظام.
بالإضافة إلى ذلك، يمتد الإطار ليشمل خلطات من مواد تشكيل الزجاج، حيث تظهر معادلة غوردون-تايلور من قواعد الخلط الديناميكية المثالية. ومع ذلك، تؤكد الدراسة على أهمية فهم الانحرافات عن الخلط المثالي للتنبؤ بدقة بخصائص الانتقال الزجاجي في الأنظمة الحقيقية. يتم التحقق من قابلية تطبيق هذا الإطار من خلال تحليل البيانات التجريبية من الخلطات الثنائية من مواد تشكيل الزجاج الهشة، مثل السكروز-التريهالوز والسكروز-الماء، مما يُظهر إمكانيته في وصف الانتقالات الزجاجية تحت ظروف غير قياسية.
مقدمة
الانتقال الزجاجي هو ظاهرة معقدة ودُرست على نطاق واسع في علم المادة المكثفة، تتميز بتباطؤ الحركة الجزيئية مع تبريد السائل، مما يؤدي إلى تشكيل مادة صلبة غير متبلورة عند درجة حرارة الانتقال الزجاجي ($T_g$). على عكس الانتقالات الحادة مثل انصهار البلورات، يتأثر التزجاج بمعدلات التبريد ويظهر توقيعات ديناميكية وحرارية تحدد دراسته. معامل حرج في هذا السياق هو زمن الاسترخاء الهيكلي α ($\tau$)، الذي يمكن أن يزيد بشكل كبير بالقرب من $T_g$، مما يعقد التعريف التشغيلي للانتقال الزجاجي كدرجة الحرارة التي يصل عندها $\tau$ إلى مقياس زمني تقليدي (حوالي 100-1000 ثانية). ومع ذلك، يفتقر هذا التعريف إلى ارتباط مباشر بمعدل تغير درجة الحرارة، وهو أمر ذو صلة خاصة في سيناريوهات التسخين أو التبريد الشديدة.
مفهوم الهشاشة، الذي قدمه أنجل، يقيس الانحرافات عن سلوك أرهينيوس في أوقات الاسترخاء، حيث تظهر السوائل الهشة زيادات حادة في الطاقة التنشيطية الظاهرة مع اقتراب $T_g$. تم تطوير مجموعة متنوعة من الأطر النظرية، مثل نظرية اقتران الوضع (MCT) ومنظور المنظر الطاقي، لوصف ديناميات السوائل المتجمدة، بينما توفر محاكاة الديناميات الجزيئية (MD) رؤى حول سلوكيات النطاق الذري بالقرب من $T_g$. على الرغم من فائدة MD، فإن الفجوات في معدلات التبريد بين المحاكاة والتجارب تشكل تحديات لفهم تأثير معدلات التبريد على الطاقة التنشيطية والهشاشة. بالإضافة إلى ذلك، تصف العلاقات التجريبية مثل معادلة غوردون-تايلور الاعتماد على التركيب لـ $T_g$ في الأنظمة متعددة المكونات، على الرغم من أن تبرير نظري صارم لمعلماتها لا يزال بعيد المنال. تعتبر هذه الاستكشافات المستمرة للانتقال الزجاجي ضرورية للتطبيقات في علم البوليمرات، وتكنولوجيا الغذاء، والأدوية، حيث يعد ضبط $T_g$ أمرًا حيويًا لاستقرار المنتج وتصميمه.
مناقشة
في هذه الدراسة، يقترح المؤلفون إطارًا تحليليًا جديدًا لتحديد درجة حرارة الانتقال الزجاجي ($T_g$) للسوائل التي تشكل الزجاج بناءً على معلمات الاسترخاء الخاصة بها. يرسخون علاقة مهمة بين زمن الاسترخاء عند الانتقال الزجاجي ($\tau_g$) والطاقة التنشيطية، مما يوفر تعريفًا صارمًا قابلًا للتطبيق عبر معدلات تغير درجة الحرارة المختلفة. يسمح الإطار بحساب $T_g$ للخلطات باستخدام معلمات الاسترخاء للمكونات الفردية، كاشفين أن معادلة غوردون-تايلور هي حالة محددة ضمن هذا السياق الأوسع. كما يبرز المؤلفون قيود النماذج الحالية، التي غالبًا ما تفشل في حساب الطبيعة الديناميكية للانتقال الزجاجي، ويقدمون معادلة جديدة تدمج معدل التبريد أو التسخين ($q$) في تحليل زمن الاسترخاء.
تستكشف الأبحاث أيضًا تداعيات قواعد الخلط الديناميكية للخلطات الثنائية، متناقضةً بين الأساليب الديناميكية التقليدية مع منظور ديناميكي. من خلال استخدام قواعد الخلط الديناميكية المثالية (IDM)، يستنتج المؤلفون معادلة عامة لدرجة حرارة الانتقال الزجاجي للخلطات، مؤكدين على أهمية معلمات الاسترخاء على الافتراضات الديناميكية الحرارية. يوضحون فائدة إطارهم من خلال أمثلة تتعلق بسلوك غير أرهينيوس في الأنظمة الثنائية، مثل خلطات السكروز-الماء، مما يُظهر أن الطريقة المقترحة يمكن أن تتنبأ بدقة بـ $T_g$ عبر مجموعة من التركيزات. بشكل عام، يوفر هذا العمل أساسًا نظريًا شاملاً لفهم ونمذجة ظواهر الانتقال الزجاجي في كل من المواد النقية والخلطات المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35024-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41520008
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Vitaly Kocherbitov et al.
Primary Topic: Material Dynamics and Properties
Overview
The glass transition is a complex phenomenon in condensed matter science, traditionally studied through thermodynamic and dynamic approaches. This research proposes a novel framework that integrates these approaches, focusing on the temperature-dependent relaxation time as a key parameter. The authors derive equations for the glass transition temperature based on relaxation parameters, revealing that the relaxation time at the glass transition is not constant, as commonly assumed, but varies according to the system’s intrinsic relaxation characteristics.
Additionally, the framework extends to mixtures of glass formers, where the Gordon-Taylor equation emerges from ideal dynamic mixing rules. However, the study emphasizes the importance of understanding deviations from ideal mixing for accurate predictions of glass transition properties in real systems. The applicability of this framework is validated through the analysis of experimental data from binary mixtures of fragile glass formers, such as sucrose-trehalose and sucrose-water, demonstrating its potential for describing glass transitions under nonstandard conditions.
Introduction
The glass transition is a complex and widely studied phenomenon in condensed matter science, characterized by the kinetic slowdown of molecular motion as a liquid cools, leading to the formation of an amorphous solid at the glass transition temperature ($T_g$). Unlike sharp transitions such as crystalline melting, vitrification is influenced by cooling rates and exhibits dynamic and thermodynamic signatures that define its study. A critical parameter in this context is the structural α-relaxation time ($\tau$), which can increase dramatically near $T_g$, complicating the operational definition of the glass transition as the temperature at which $\tau$ reaches a conventional timescale (approximately 100-1000 s). This definition, however, lacks a direct connection to the rate of temperature change, which is particularly relevant in extreme heating or cooling scenarios.
The concept of fragility, introduced by Angell, quantifies deviations from Arrhenius behavior in relaxation times, with fragile liquids exhibiting steep increases in apparent activation energy as $T_g$ is approached. Various theoretical frameworks, such as Mode Coupling Theory (MCT) and the energy landscape perspective, have been developed to describe the dynamics of supercooled liquids, while molecular dynamics (MD) simulations provide insights into atomic-scale behaviors near $T_g$. Despite the utility of MD, discrepancies in cooling rates between simulations and experiments pose challenges for understanding the influence of cooling rates on activation energy and fragility. Additionally, empirical relations like the Gordon-Taylor equation describe the composition dependence of $T_g$ in multicomponent systems, although a rigorous theoretical justification for its parameters remains elusive. This ongoing exploration of the glass transition is crucial for applications in polymer science, food technology, and pharmaceuticals, where tuning $T_g$ is vital for product stability and design.
Discussion
In this study, the authors propose a novel analytical framework for determining the glass transition temperature ($T_g$) of glass-forming liquids based on their relaxation parameters. They establish a significant relationship between the relaxation time at the glass transition ($\tau_g$) and the activation energy, providing a rigorous definition that is applicable across varying temperature change rates. The framework allows for the calculation of $T_g$ for mixtures using the relaxation parameters of individual components, revealing that the Gordon-Taylor equation is a specific case within this broader context. The authors also highlight the limitations of existing models, which often fail to account for the dynamic nature of the glass transition, and introduce a new equation that incorporates the cooling or heating rate ($q$) into the analysis of relaxation time.
The research further explores the implications of dynamic mixing rules for binary mixtures, contrasting traditional thermodynamic approaches with a dynamic perspective. By employing ideal dynamic mixing (IDM) rules, the authors derive a generalized equation for the glass transition temperature of mixtures, emphasizing the importance of relaxation parameters over thermodynamic assumptions. They illustrate the utility of their framework through examples involving non-Arrhenius behavior in binary systems, such as sucrose-water mixtures, demonstrating that the proposed method can accurately predict $T_g$ across a range of concentrations. Overall, this work provides a comprehensive theoretical basis for understanding and modeling glass transition phenomena in both pure substances and complex mixtures.