Naukowcy odkryli ukryte prawidłowości strukturalne w szkle krzemionkowym

Szkło jest materiałem podstawowym o nieuporządkowanej strukturze. Pomimo swojej długowieczności na przestrzeni lat, jej skład atomowy wciąż stanowi zagadkę dla naukowców.

Grupa badaczy skupiła się na kształtach toroidalnych w chemicznie związanych sieciach szklanych, aby dowiedzieć się więcej o prawidłowościach strukturalnych ukrytych w materiałach szklistych. Zespół opracował nowe wskaźniki do pomiaru trójwymiarowej struktury pierścieni i symetrii strukturalnych: „chropowatość” i „okrągłość”.

Wskaźniki te pomagają naukowcom określić dokładną liczbę reprezentatywnych form pierścieni w krzemionce krystalicznej i szklistej (SiO2). Znaleźli mieszaninę pierścieni charakterystycznych dla szkła i pierścieni podobnych do pierścieni kryształów.

Co więcej, określając orientację każdego pierścienia, naukowcy opracowali sposób pomiaru przestrzennej gęstości atomowej otaczającej pierścienie.

Wykazali, że konfiguracja atomowa nie jest równomiernie zorganizowana we wszystkich kierunkach wokół pierścienia, co jest zjawiskiem znanym jako anizotropia. Porządek strukturalny związany z anizotropią indukowaną przez pierścień jest zgodny z dowodami eksperymentalnymi, takimi jak dane dyfrakcyjne SiO2.

Odkryto również, że chociaż w krzemionce szklistej występuje nierówny i chaotyczny układ atomów, istnieją pewne obszary, w których układ atomów przebiega według pewnego poziomu porządku i regularności.

Profesor Motoki Shiga z Centrum Analiz Niezrównanych Danych na Uniwersytecie Tohoku Powiedział, „Jedność strukturalna i porządek poza wiązaniem chemicznym były od dawna postulowane na podstawie obserwacji eksperymentalnych, ale ich identyfikacja do tej pory wymykała się naukowcom. Co więcej, nasza udana analiza przyczynia się do zrozumienia przejść fazowych, takich jak witryfikacja i krystalizacja materiałów, a także zapewnia opisy matematyczne potrzebne do kontrolowania struktury Materiałów i ich właściwości.

W przyszłości naukowcy wykorzystają te techniki do opracowania procedur badania materiałów szklistych. Procedury te opierają się na metodach opartych na danych, takich jak uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja.

Odniesienie do magazynu:

1. Motoki Shiga, Akihiko Hirata, Yohei Onodera i Hirokazu Masai. Anizotropia lokalnego układu strukturalnego w amorficznym i krystalicznym ditlenku krzemu. Materiały komunikacyjne. Identyfikator cyfrowy: 10.1038/s43246-023-00416-s