Hvad forårsager den top? Besvarelse af et langvarigt spørgsmål om kovalente væsker

Materialer, der har en uordnet struktur uden regelmæssigt gentagelsesmønster, beskrives som amorfe. Sådanne materialer kan findes i naturen og har også en række anvendelser inden for teknologi. Imidlertid, den uordnede natur af disse materialer gør dem mere udfordrende at karakterisere end krystallinske strukturer.

Nu, forskere ved University of Tokyo Institute of Industrial Science har vist, at strukturen af ​​en bestemt klasse af væsker og amorfe materialer, kendt som tetraedriske glasdannere, kan forstås ud fra eksperimentelle målinger. Deres resultater blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Når et krystallinsk materiale spreder røntgenstråler eller neutroner, det producerer et veldefineret mønster som et resultat af dets struktur. I modsætning, mønstrene produceret af væsker og amorfe materialer viser brede toppe, der ikke giver samme grad af information. Imidlertid, væsker og amorfe materialer, der har en tendens til at danne et netværk, såsom silica og silicium, er kendt for at udvise en egenskab kaldet den første skarpe diffraktionstop (FSDP).

Mange teorier, der forbinder FSDP's egenskaber med strukturen af ​​det relaterede materiale, er blevet præsenteret; imidlertid, der er stadig ingen accepteret konsensus om, hvad der giver anledning til disse funktioner. Nu har forskere påvist, at FSDP er et resultat af den tetraedriske karakter af den lokale orden af ​​atomer i væsken.

"Den kovalente karakter af bindingen i de væsker, vi undersøgte, resulterer i en vis grad af organisering på lokalt plan, selvom rækkefølgen ikke strækker sig over en lang rækkevidde, ", forklarer den tilsvarende forfatter Hajime Tanaka. "Vi fokuserede på den tetraedriske enhedsstruktur, der dannes i materialerne, og som et resultat har etableret en model, der er i stand til at understøtte en række eksperimentelle resultater."

Forskerne testede deres tetraedermodel ved hjælp af simulerede og eksperimentelle data for adskillige oxider, halogenid, chalcogenid, og monoatomiske materialer i flydende eller amorfe tilstand. Resultaterne var i stand til at forklare oprindelsen af ​​FSDP såvel som andre højere bølgetalstoppe og funktioner.

"Vi har vist direkte beviser for en to-statsstruktur, hvor orden og uorden sameksisterer i det samme netværk og danner væske, " Første forfatter Rui Shi forklarer. "Vi håber, at vores resultater vil føre til en forbedret forståelse af egenskaberne af tetraedriske væsker og glas, og har derfor en indvirkning på områder som geovidenskab og halvledermaterialer."

Den direkte forbindelse mellem data, der kan erhverves ved hjælp af standardteknikker, og kvantitativ strukturel information om graden og rækken af ​​lokal orden demonstrerer den praktiske betydning og potentiale af den præsenterede model.