Fenómenos de relajación y movilidad iónica en un vidrio paradigmático : el metasilicato de litio

Abstract

En el presente trabajo de tesis se estudió utilizando el formalismo de la Dinámica Molecular al sistema de metasilicato de litio (Li2SiO3) -considerado como un vidrio paradigmático- para intentar identificar y comprender los mecanismos elementales involucrados en el fenómeno de transporte de carga. Este sistema puede suponerse constituido por dos subsistemas con comportamientos dinámicos marcadamente diferenciables: uno muy móvil formado por los cationes de litio y otro, muy poco móvil, dado por su matriz v´ıtrea (en este caso, formada por los átomos de ox´ıgeno y de silicio). La co-existencia de estos dos subsistemas dinámicos permitió abordar temáticas de gran interés en la física de los vidrios. Por un lado, focalizando el estudio en el comportamiento de los iones móviles, se analizaron las componentes elementales de la dinámica de estos iones. A su vez, mediante la incorporación de óxido de potasio (que da lugar a la existencia simultánea de dos iones móviles: Li y K) permiti´o indagar en las características dinámicas de esta mezcla de iones móviles, en busca de aportar elementos para una mayor comprensi´on del denominado Efecto Alcalino Mixto. Por otra parte, mediante el estudio en el comportamiento de la matriz vítrea (constituida por tetraedros de SiO4), se analizó la naturaleza de los fen´omenos de relajación microscópicos que ocurren en el sistema. Concretamente, en colaboración con el grupo del Dr. Daniel Stariolo en el laboratorio de Sistemas Complejos del Instituto de Física de la Universidad Federal do Rio Grande do Sul, se analizaron las particularidades orientacionales de las unidades tetraédricas que conforman la matriz vítrea. Esto permitió describir el sistema en términos de dos temperaturas características: la Tg, temperatura de transición vítrea; y la Tc, temperatura de referencia en el contexto descripto por la teoría de Mode-Coupling. Por último, se abordó la hipótesis de la pérdida de ergodicidad en el sistema vítreo cuando la temperatura del mismo se aproxima a su Tg. De las evidencias dinámicas observadas, surgió el pragmatismo de esta hipótesis con respecto a la “ventana de tiempo” en la cual el sistema es observado.

In this thesis was studied using the formalism of Molecular Dynamics a lithium metasilicate (Li2SiO3) -considered as a paradigmatic glass- in order to identify and understand the basic mechanisms involved in the charge transport phenomena. This system can be assumed to consists of two subsystems with markedly distinguishable dynamic behaviors: one very mobile formed by lithium cations, and other very immobile, the glassy matrix (in this case, formed by the oxygen and silicon atoms). The co-existence of these two dynamic subsystems allowed to address topics of great interest in the physics of glasses. On one hand, focusing the study on the behavior of mobile ions, the elementary components of the dynamics of these ions were analyzed. Additionally, by the incorporating potassium oxide (resulting in the simultaneous existence of two mobile ions: Li and K) allowed to investigate the dynamic properties of this mixture of mobile ions, in search to provide elements for a better understanding the so-called Mixed Alkali Effect. On the other hand, by studying the behavior of the glassy matrix (consisting of SiO4 tetrahedra), the nature of microscopic relaxation phenomena occurring in the system was analyzed. Specifically, in collaboration with the group of Dr. Daniel Stariolo in Complex Systems Laboratory of the Institute of Physics of the Federal University of Rio Grande do Sul, we studied the orientational behavior of tetrahedral units within the glass matrix. This permitted to describe the system in terms of two characteristic temperatures: Tg, glass transition temperature; and Tc, reference temperature in the context of the Mode-Coupling Theory (MCT). Finally, was addressed the hypothesis of ergodicity loss of the vitreous systems when the temperature of them approaches to its Tg. By the evidence in the dynamic behaviour of this system, it emerged the pragmatism of this hypothesis regarding to the “time window” in which the system is observed.