Opdagelse af strukturel regelmæssighed skjult i silicaglas

Glas – hvad enten det bruges til at isolere vores hjem eller som skærme i vores computere og smartphones – er et grundlæggende materiale. Alligevel forvirrer den uordnede struktur af dens atomare konfiguration på trods af dens lange brug gennem menneskets historie stadig videnskabsmænd, hvilket gør det vanskeligt at forstå og kontrollere dens strukturelle natur. Det gør det også svært at designe effektive funktionelle materialer lavet af glas.

For at afdække mere om den strukturelle regelmæssighed, der er gemt i glasagtige materialer, har en forskergruppe fokuseret på ringformer i de kemisk bundne netværk af glas. Gruppen, som omfattede professor Motoki Shiga fra Tohoku University's Unprecedent-scale Data Analytics Center, skabte nye måder til at kvantificere ringenes tredimensionelle struktur og strukturelle symmetrier:"rundhed" og "ruhed."

Brug af disse indikatorer gjorde det muligt for gruppen at bestemme det nøjagtige antal repræsentative ringformer i krystallinsk og glasagtig silica (SiO₂ ), at finde en blanding af ringe, der er unikke for glas og dem, der lignede ringene i krystallerne.

Derudover udviklede forskerne en teknik til at måle de rumlige atomtætheder omkring ringe ved at bestemme retningen af ​​hver ring. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Communications Materials .

De afslørede, at der er anisotropi omkring ringen, det vil sige, at reguleringen af ​​den atomare konfiguration ikke er ensartet i alle retninger, og at den strukturelle rækkefølge relateret til den ring-oprindede anisotropi er i overensstemmelse med eksperimentelle beviser, som diffraktionsdataene for SiO₂ . Det blev også afsløret, at der var specifikke områder, hvor atomarrangementet fulgte en vis grad af orden eller regelmæssighed, selvom det så ud til at være et uoverskueligt og kaotisk arrangement af atomer i glasagtig silica.

"Den strukturelle enhed og strukturelle rækkefølge ud over den kemiske binding var længe blevet antaget gennem eksperimentelle observationer, men dens identifikation har hidtil undgået videnskabsmænd," siger Shiga. "Yderligere bidrager vores succesrige analyse til at forstå faseovergange, såsom forglasning og krystallisering af materialer, og giver de matematiske beskrivelser, der er nødvendige for at kontrollere materialestrukturer og materialeegenskaber."

Når vi ser fremad, vil Shiga og hans kolleger bruge disse teknikker til at komme med procedurer til at udforske glasmaterialer, procedurer, der er baseret på datadrevne tilgange som maskinlæring og kunstig intelligens.

Flere oplysninger: Motoki Shiga et al., Ring-oprindelig anisotropi af lokal strukturel orden i amorf og krystallinsk siliciumdioxid, Kommunikationsmaterialer (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00416-w

Leveret af Tohoku University