Dynamics in orientationally disordered solids

Abstract

The key features of dynamics of ultraslowing glass forming systems are their universality in diversity. Its origin is recognized as one of the greatest challenges of condensed matter physics and materials engineering in the XXI century. Similar phenomena are observed on approaching the glass transition in low molecular weight supercooled liquids, polymers, colloidal fluids as well as in solids, for instance in orientationally disordered crystals, spin glass-like magnetic, vortex glasses. Pre-vitreous dynamics is also proposed as a general reference for the category of complex liquids/soft matter systems. The upsurge of the primary relaxation time or related dynamical properties is the basic physical phenomena of the still mysterious previtreous behavior. This means a much more pronounced slowing down than the Arrhenius pattern observed far above the glass transition temperature. Portraying this behavior constitutes one of key checkpoints for theoretical models developed to unwind the glass transition puzzle. However, none of the aforementioned features can answer the understanding that governs the increase of relaxation time in liquids upon cooling. In this thesis we focus on the above questions studying the dynamics of some materials for which their molecules can retain a translational order being orientationally disordered between them upon cooling, which are referred to plastic phases or orientationally disordered (OD) crystalline phases. The work presented in this thesis potentially extends the knowledge of dynamics of OD phases and orientationally glasses (OG), a research topic which has gained interest during the last decades. Through this study, especial attention has been devoted to the phenomenological equations accounting to the temperature dependence of the mean relaxation time describing the orientational dynamics .The study was carried out by the use of BDS as well as two complementary experimental techniques. We show distortion-sensitive and derivative-based empirical analysis of the validity of leading equations for portraying the previtreous evolution of primary relaxation time. A new method for studying the dynamics of glass forming systems is introduced and the minimization procedure is validated and discussed. We present the results divided in two topics, the dynamics of the pure compounds and mixed crystals and the derivative analysis through different existing models. In the first topic we focus on the dynamics of the pure compounds and mixed crystals formed between cycloheptanol and cyclooctanol as well as the a-relaxation dynamics of 1-cyano-adamantane and its mixtures with 1-chloro-adamantane. The second topic is divided in two groups of models, linearized and non-linearized models. In the linearized models we show the application of the derivative based, distortion-sensitive analysis to liquid crystals (LC) and OD phases. We also discuss the results concerning to the cases of the olygomeric liquid epoxy resin (EPON828), neopentylalcohol and neopentylglycol mixture, isooctylcyanobiphenyl and propylene carbonate. The possible empirical correlations between one of the linearized models with the universal pattern for the high frequency wing of the loss curve for primary relaxation time for LCs and OD phases is also shown. In the final part we show that the form of the equation recently introduced by Mauro et al. does not allow a similar straightforward linearization procedure. Unlike the previous models, the involved parameters are not correlated with the slope and the intercept of a linear function. In order to solve this problem, we have introduced the concept of the enthalpy space. The evidences of the existence of crossovers as well as quantitative descriptions are discussed. We show also a new procedure for detecting the crossover in a very easy way. A new kind of crossovers which seems to be impossible to be detected by the classical Stickel transformation is presented.

La principal característica de la dinámica de sistemas vítreos viscosos, es su universalidad en la diversidad. Su origen es uno de los mayores desafíos de la física de la materia condensada y de la ingeniería de materiales en el siglo XXI. La fenomenología típica de las fases vítreas se observan cerca de la transición vítrea en líquidos subenfriados de bajo peso molecular, polímeros, fluidos coloidales, así como en los sólidos con fases orientacionalmente desordenadas. La imposibilidad de explicar las causas del gran aumento del tiempo de relajación al enfriar un líquido, constituye uno de los problemas más importantes no resueltos en materia condensada. Con el objetivo de dar respuesta a dicha interrogante, se han propuesto modelos termodinámicos y dinámicos que han resultado inconsistentes. En esta tesis nos centramos en dicha problemática, estudiando la dinámica orientacional de algunos materiales que al ser enfriados pueden conservar un orden traslacional mientras que se conserva el desorden orientacional de las moléculas que los forman. Dichas fases se conocen como fases plásticas u orientacionalmente desordenadas (OD). El trabajo presentado en esta tesis amplía el conocimiento de la dinámica de dichas fases, un tema de investigación cuyo interés ha aumentado durante las últimas décadas. Se ha dedicado una atención especial a las ecuaciones fenomenológicas que describen la dependencia del tiempo de relajación con la temperatura. El estudio se ha llevado a cabo mediante el uso de espectroscopía dieléctrica de banda ancha, así como mediante el uso de técnicas experimentales complementarias. Se ha introducido un nuevo método para el estudio de la dinámica de los sistemas que dan lugar a fases vítreas. El método ha sido validado y discutido. Los resultados de esta tesis se presentan divididos en dos temas, por un lado, la dinámica de compuestos puros y de los cristales mixtos y, por otro, el análisis mediante el método derivativo aplicado a los diferentes modelos físicos existentes. En el primer tema nos centramos en la dinámica de los compuestos puros y los cristales mixtos formados por cicloheptanol y ciclooctanol, así como la dinámica de la relajación alfa en 1-ciano-adamantano y sus mezclas con 1-cloro-adamantano. El segundo tema se divide en dos grupos de modelos, los modelos lineales y no lineales. En los modelos lineales se muestra la aplicación del procedimiento de derivativo en los cristales líquidos (CL) y las fases OD. También se discuten los resultados relativos a los casos de la resina líquida (EPON828), la mezcla neopentil-alcohol y neopentil-glicol, el carbonato de propileno, así como el CL isooctilcianobifenil. Se discute también la existencia de posibles correlaciones empíricas entre uno de los modelos lineales con el patrón universal para la parte de alta frecuencia de la curva de pérdidas dieléctricas de la relajación primaria para las fases CL y OD. En la parte final se muestra que la forma de la ecuación introducida recientemente por Mauro et al. no permite la linearización mediante el método derivativo. A diferencia de los modelos anteriores, los diferentes parámetros no están correlacionados con la pendiente y el origen de coordenadas de una función lineal. Para resolver este problema, hemos introducido el concepto del espacio entálpico. Se analiza también la existencia de cambios de comportamiento dinámicos y se aportan descripciones cuantitativas. Se muestra también un nuevo procedimiento para detectar los cambios dinámicos de una manera fácil, que permite incluso detectar aquéllos que son obviados mediante el método clásico de Stickel.