We have investigated the properties of vapor-deposited glasses prepared from short polymer chains using molecular dynamics simulations. Vapor-deposited polymer glasses are found to have higher density and higher kinetic stability than ordinary glasses prepared by gradual cooling of the corresponding equilibrium liquid. In contrast to results for binary Lennard-Jones glasses, the deposition rate is found to play an important role in the stability of polymer vapor-deposited glasses. Glasses deposited at the slowest deposition rate and at the optimal substrate temperature are found to correspond to the ordinary glasses that one could hypothetically prepare by cooling the liquid at rates that are 4–5 orders of magnitude slower than those accessible in the current simulations. For intermediate-length polymer chains, the resulting vapor-deposited glasses are found to be highly anisotropic. For short chains, however, the glasses are isotropic, showing that structural anisotropy is not a necessary condition for formation of stable glasses by physical vapor deposition.

1.
S. F.
Swallen
,
K. L.
Kearns
,
M. K.
Mapes
,
Y. S.
Kim
,
R. J.
McMahon
,
M. D.
Ediger
,
T.
Wu
,
L.
Yu
, and
S.
Satija
,
Science
315
,
353
356
(
2007
).
2.
L.
Zhu
and
L.
Yu
,
Chem. Phys. Lett.
499
,
62
65
(
2010
).
3.
K.
Dawson
,
L.
Zhu
,
L. A.
Kopff
,
R. J.
McMahon
,
L.
Yu
, and
M. D.
Ediger
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
2683
2687
(
2011
).
4.
K.
Ishii
,
H.
Nakayama
,
S.
Hirabayashi
, and
R.
Moriyama
,
Chem. Phys. Lett.
459
,
109
112
(
2008
).
5.
E.
León-Gutierrez
,
G.
Garcia
,
M. T.
Clavaguera-Mora
, and
J.
Rodríguez-Viejo
,
Thermochim. Acta
492
,
51
54
(
2009
).
6.
K.
Ishii
,
H.
Nakayama
,
R.
Moriyama
, and
Y.
Yokoyama
,
Bull. Chem. Soc. Jpn.
82
,
1240
1247
(
2009
).
7.
K. R.
Whitaker
,
D. J.
Scifo
, and
M. D.
Ediger
,
J. Phys. Chem. B
117
,
12724
12733
(
2013
).
8.
H.-B.
Yu
,
Y.
Luo
, and
K.
Samwer
,
Adv. Mater.
25
,
5904
5908
(
2013
).
9.
D. P. B.
Aji
,
A.
Hirata
,
F.
Zhu
,
L.
Pan
,
K.
Madhav Reddy
,
S.
Song
,
Y.
Liu
,
T.
Fujita
,
S.
Kohara
, and
M.
Chen
, “
Ultrastrong and Ultrastable Metallic Glass
,” preprint arXiv:1306.1575 (
2013
).
10.
S. L. L. M.
Ramos
,
M.
Oguni
,
K.
Ishii
, and
H.
Nakayama
,
J. Phys. Chem. B
115
,
14327
14332
(
2011
).
11.
S. F.
Swallen
,
K. L.
Kearns
,
S.
Satija
,
K.
Traynor
,
R. J.
McMahon
, and
M. D.
Ediger
,
J. Chem. Phys.
128
,
214514
(
2008
).
12.
K. L.
Kearns
,
S. F.
Swallen
,
M. D.
Ediger
,
T.
Wu
,
Y.
Sun
, and
L.
Yu
,
J. Phys. Chem. B
112
,
4934
4942
(
2008
).
13.
K. J.
Dawson
,
K. L.
Kearns
,
M. D.
Ediger
,
M. J.
Sacchetti
, and
G. D.
Zografi
,
J. Phys. Chem. B
113
,
2422
2427
(
2009
).
14.
K. L.
Kearns
,
T.
Still
,
G.
Fytas
, and
M. D.
Ediger
,
Adv. Mater.
22
,
39
42
(
2010
).
15.
E.
Leon-Gutierrez
,
A.
Sepúlveda
,
G.
Garcia
,
M. T.
Clavaguera-Mora
, and
J.
Rodríguez-Viejo
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
14693
14698
(
2010
).
16.
K. L.
Kearns
,
K. R.
Whitaker
,
M. D.
Ediger
,
H.
Huth
, and
C.
Schick
,
J. Chem. Phys.
133
,
014702
(
2010
).
17.
Z.
Fakhraai
,
T.
Still
,
G.
Fytas
, and
M. D.
Ediger
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
423
427
(
2011
).
18.
K. J.
Dawson
,
L.
Zhu
,
L.
Yu
, and
M. D.
Ediger
,
J. Phys. Chem. B
115
,
455
463
(
2011
).
19.
S. S.
Dalal
and
M. D.
Ediger
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
1229
1233
(
2012
)
20.
S. S.
Dalal
,
A.
Sepúlveda
,
G. K.
Pribil
,
Z.
Fakhraai
, and
M. D.
Ediger
,
J. Chem. Phys.
136
,
204501
(
2012
).
21.
K.
Dawson
,
L. a.
Kopff
,
L.
Zhu
,
R. J.
McMahon
,
L.
Yu
,
R.
Richert
, and
M. D.
Ediger
,
J. Chem. Phys.
136
,
094505
(
2012
).
22.
S.
Singh
and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
134
,
194903
(
2011
).
23.
Z.
Shi
,
P. G.
Debenedetti
, and
F. H.
Stillinger
,
J. Chem. Phys.
134
,
114524
(
2011
).
24.
L.
Zhu
,
C. W.
Brian
,
S. F.
Swallen
,
P. T.
Straus
,
M. D.
Ediger
, and
L.
Yu
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
256103
(
2011
).
25.
C. W.
Brian
and
L.
Yu
,
J. Phys. Chem. A
117
,
13303
13309
(
2013
).
26.
R.
Malshe
,
M. D.
Ediger
,
L.
Yu
, and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
134
,
194704
(
2011
).
27.
M. D.
Ediger
and
J. A.
Forrest
,
Macromolecules
47
,
471
478
(
2014
).
28.
J.
Forrest
and
K.
Dalnoki-Veress
,
Adv. Colloid Interface Sci.
94
,
167
195
(
2001
).
29.
M.
Alcoutlabi
and
G. B.
McKenna
,
J. Phys.: Condens. Matter
17
,
R461
R524
(
2005
).
30.
M. D.
Ediger
and
P.
Harrowell
,
J. Chem. Phys.
137
,
080901
(
2012
).
31.
J.
Sharp
and
J.
Forrest
,
Phys. Rev. E
67
,
031805
(
2003
).
32.
D.
Qi
,
Z.
Fakhraai
, and
J.
Forrest
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
096101
(
2008
).
33.
K.
Paeng
,
R.
Richert
, and
M. D.
Ediger
,
Soft Matter
8
,
819
(
2012
).
34.
Z.
Fakhraai
and
J. A.
Forrest
,
Science
319
,
600
604
(
2008
).
35.
D.
Qi
,
M.
Ilton
, and
J. A.
Forrest
,
Eur. Phys. J. E: Soft Matter
34
,
56
(
2011
).
36.
K. F.
Mansfield
and
D. N.
Theodorou
,
Macromolecules
24
,
6283
6294
(
1991
).
37.
A. R. C.
Baljon
,
M. H. M.
Van Weert
,
R. B.
DeGraaff
, and
R.
Khare
,
Macromolecules
38
,
2391
2399
(
2005
).
38.
Y.
Guo
,
A.
Morozov
,
D.
Schneider
,
J. W.
Chung
,
C.
Zhang
,
M.
Waldmann
,
N.
Yao
,
G.
Fytas
,
C. B.
Arnold
, and
R. D.
Priestley
,
Nat. Mater.
11
,
337
343
(
2012
).
39.
S.
Singh
,
M. D.
Ediger
, and
J. J.
de Pablo
,
Nat. Mater.
12
,
139
144
(
2013
).
40.
S.
Leonard
and
P.
Harrowell
,
J. Chem. Phys.
133
,
244502
(
2010
).
41.
I.
Lyubimov
,
M. D.
Ediger
, and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
139
,
144505
(
2013
).
42.
D.
Averett
,
P.-H.
Lin
,
C.-C.
Chiu
,
M. T.
Cicerone
,
L.
Yu
,
M. D.
Ediger
, and
J. J.
de Pablo
, “
Stable vapor-deposited glasses of glycerol
” (unpublished).
43.
K. L.
Kearns
,
S. F.
Swallen
,
M. D.
Ediger
,
T.
Wu
, and
L.
Yu
,
J. Chem. Phys.
127
,
154702
(
2007
).
44.
F.
Starr
,
S.
Sastry
,
J.
Douglas
, and
S.
Glotzer
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
125501
(
2002
).
45.
M. T.
Cicerone
and
C. L.
Soles
,
Biophys. J.
86
,
3836
3845
(
2004
).
46.
S. S.
Dalal
,
Z.
Fakhraai
, and
M. D.
Ediger
,
J. Phys. Chem. B
117
,
15415
15425
(
2013
)
47.
R.
Khare
,
J. J.
de Pablo
, and
A.
Yethiraj
,
Macromolecules
29
,
7910
7918
(
1996
).
You do not currently have access to this content.