Fast local motions and their transitions in polybutadiene across the glass transition

ポリブタジエンのガラス遷移における早い局所運動とその遷移

菊地 龍弥*  ; 間下 亮*; 増井 友美*; 金谷 利治*; 岸本 浩通*; 中島 健次   

Kikuchi, Tatsuya*; Mashita, Ryo*; Masui, Tomomi*; Kanaya, Toshiji*; Kishimoto, Hiroyuki*; Nakajima, Kenji

準弾性中性子散乱において最近開発した修正モード分布解析により、ガラス状態から液体(ゴム状)状態までの広範囲にわたるポリブタジエンの局所的な力学を調べた。サブピコ秒の高速な過程は局所拡散モデルを用いて解析し、局所拡散係数と調和ポテンシャル剛性という物理的に意味のある2つのパラメータを通じて動力学を特徴付けた。温度依存解析により、ガラス遷移付近で明確な動的遷移が見られ、これは複数のセグメントに関わる協同拡散の消失と解釈される。さらに、局所拡散モデル内の高次モードとして、エクストラファストプロセスと呼ばれる追加の緩和モードが特定された。これらの発見は、ガラス遷移を通じた局所的な運動の進化に関する統一された物理的枠組みを示唆し、サブナノメートルおよびサブピコ秒スケールでのポリマーダイナミクスを定量化するための堅牢な手法を確立するものである。

We investigated the local dynamics of polybutadiene over a wide temperature range, using quasielastic neutron scattering combined in the modified mode distribution analysis. Among these processes, the subpicosecond fast process was analyzed using a local diffusion model, which characterizes the dynamics via two physically meaningful parameters: the local diffusion coefficient and the harmonic potential stiffness. Temperature-dependent analysis revealed a distinct dynamic transition near the glass transition, which is interpreted as the disappearance of cooperative diffusion involving multiple segments. Furthermore, an additional relaxation mode, termed the extra-fast process, was identified and interpreted as a higher-order mode within the local diffusion model. These findings suggest a unified physical framework for the evolution of local motions across the glass transition and establish a robust methodology for quantifying polymer dynamics at subnanometer and subpicosecond scales.