Studies on Colloidal Glass Transition Using Molecular Dynamics Simulations and Deep Learning Methods
분자동역학 시뮬레이션과 딥러닝 방법을 이용한 콜로이드 유리 전이 연구
- 주제어 (키워드) glasses , glassy structure , translation-rotation decoupling , molecular dynamics simulations , deep learning , 유리 , 유리구조 , 병진-회전 짝풀림 , 분자동역학 시뮬레이션 , 딥 러닝
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 성봉준
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000066526
- UCI I804:11029-000000066526
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
When liquids are supercooled avoiding crystallization, they become glasses. The dynamics of glasses become extremely slow and spatially heterogenous. The dynamic het- erogeneity and the translation-rotation decoupling are known to be the signatures of glassy dynamics. Whether and how the dynamic heterogeneity would relate to the local structure of glasses has been a puzzle for decades. Two dimensional polydisperse colloids (2DPC) and two dimensional binary colloids (2DBC) are well-known glass formers, which are in- troduced by varying the size distribution of monodisperse colloids. However, 2DPC and 2DBC have very different local structures near the glass transition. In 2DPC glasses, hex- atic local structures which is known as medium-range crystalline order (MRCO) develop at low enough temperature and grow quickly along with the dynamic correlation length. In 2DBC glasses, on the other hand, any explict local structure has not been reported to grow with the dynamic correlation length. It has been also a puzzle whether the universal glassy structure exists encompassing 2DPC and 2DBC. During my M.S. course, I study the translation-rotation decoupling in 2DPC and 2DBC glasses using molecular dynamics simulations and investigate the existence of universal glassy structure of 2DPC and 2DBC using deep learning methods.
more초록 (요약문)
본 논문은 분자동역학 시뮬레이션과 딥러닝을 기반으로 한 콜로이드의 유리 전이 현상에 대한 연구를 담고 있다. Chapter 1에서 추적자 분자의 거동을 조사해서 콜로이드 유리의 국부 구 조를 밝혔다. 상태 변화와는 달리 유리 전이가 일어날 때는 구조와 동역학의 연관성이 희미해진다. 유리 전이가 일어나면 액체는 고체가 되어 더 이상 흐르 지 못하지만 그 구조는 여전히 액체와 같이 비정형이다. 유리에 동역학을 지배 하는 숨겨진 구조가 있는지를 알아내는 것이 화두이다. 하지만, 그 구조를 알 아내는 것은 모든 입자의 위치 벡터가 필요하기 때문에 컴퓨터 계산이 반드시 필요하고, 실험에서는 그 과정이 특히 제한된다. 따라서 본 연구에서 이차원 콜로이드 매트릭스에 특정한 모양의 추적자 분자를 넣어서 분자동역학 시뮬레 이션을 수행했다. 그 결과, 육각 국부 구조를 가지고 있는 다분산 콜로이드 유 리에서 다이아몬드 추적자 분자의 회전 운동이 정사각형 추적자 분자 의 회전 운동에 비해 현저히 느려지는 것을 발견했다. 다분산 콜로이드 유리에서 다이 아몬드 추적자 분자 주위에 발달한 육각 국부 구조가 다이아몬드 추적자 분자 의 회전을 방해한다. 반면에 특별한 국부 구조를 가지고 있지 않은 이분산 콜 로이드 유리에서는, 추적자 분자의 모양에 따라 추적자 분자의 회전이 변하지 않는다. 추적자 분자의 모양을 신중히 결정하고 그 거동을 이해하면 이차원 콜로이드 유리의 국부 구조를 밝혀낼 수 있다는 것을 밝혀냈다. Chapter 2에서 딥러닝을 이용해서 이차원 다분산 콜로이드 유리와 이분산 콜로이드 유리 사이에 보편적인 유리 구조가 존재함을 밝혔다. 유리와 액체는 그 구조는 비슷하지만 동역학적인 물성은 크게 다르다. 유리는 액체와 같은 비 정형 구조를 가지고 있지만 고체와 같은 강도를 가지고 있기 때문이다. 때문 에, 유리에 액체와는 다른 구조가 있는지에 대해서 많은 연구가 이루어져 왔 다. 다분산 콜로이드는 유리 전이가 일어날 때 육각 구조가 지배적으로 형성된 다고 보고되었다. 육각 구조는 상대적으로 느린 동역학의 원인이라 고 받아들 여져, 육각 구조가 바로 다분산 콜로이드 유리의 숨겨진 구조라고 알려졌다. 하지만, 이분산 콜로이드 유리의 경우에는 육각 구조가 전혀 형성되지 않고 육 각 구조가 느린 동역학과도 관련되지 않는다. 여전히 다분산 콜로이드 유리와 이분산 콜로이드 유리를 관통하는 보편적인 유리 구조가 존재 하는지, 존재한 다면 무엇인지에 대한 내용은 밝혀지지 않았다. 따라서, 본 연구에서 합성곱 신경망을 이용해 다분산 콜로이드 유리와 이분산 콜로이드 유리의 좌표 이미 지를 분석함으로써 보편적인 유리 구조가 존재함을 밝혔다. 그 보편적인 유리 구조는 이전까지 다분산 콜로이드의 유리구조라고 받아들여진 육각구조와는 큰 상관이 없다는 것을 확인했다.
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