突破性研究揭示玻璃复杂的原子结构、独特的图案和各向异性

玻璃是我们日常生活中的重要材料，具有多种用途，如隔热、形成电脑和智能手机的屏幕等。然而，其广泛的历史用途与其无序的原子结构所带来的科学奥秘形成了鲜明对比。这种令人费解的原子排列方式使充分理解和操纵玻璃结构特性的工作变得更加复杂。因此，利用玻璃设计有效的功能材料对科学家来说仍然是一项具有挑战性的任务。

玻璃研究的进展

为了进一步揭示隐藏在玻璃材料中的结构规律性，一个研究小组重点研究了玻璃化学键网络中的环形结构。东北大学史无前例的大规模数据分析中心的志賀元紀（Motoki Shiga）教授等人组成的研究小组创造了量化环的三维结构和结构对称性的新方法："圆度"和"粗糙度"。

二氧化硅晶体（左）和玻璃（右）中环周围的空间原子密度。蓝色和红色区域分别表示硅原子和氧原子的大密度区域。图片来源：Motoki Shiga 等人

利用这些指标，研究小组确定了晶体和玻璃二氧化硅（SiO2）中具有代表性的环形状的确切数量，发现了玻璃中特有的环和晶体中类似的环的混合物。

此外，研究人员还开发了一种技术，通过确定每个环的方向来测量环周围的空间原子密度。

环形指标： (a）计算过程；（b）二氧化硅（SiO2）上的指标示例；（c）形状指标在硅玻璃和九种晶体中的分布。资料来源：Motoki Shiga 等人。

他们发现环周围存在各向异性，即原子构型的调节并非在所有方向上都是一致的，而与环引起的各向异性相关的结构有序性与实验证据（如二氧化硅的衍射数据）是一致的。研究还发现，在一些特定区域，原子排列遵循某种程度的有序性或规则性，尽管玻璃硅石中的原子排列看似不和谐和混乱。

突破和未来方向

"化学键之外的结构单元和结构秩序早已通过实验观察被推测出来，但直到现在科学家们还没有找到它，"Shiga 说。"此外，我们的成功分析有助于理解相变，如材料的玻璃化和结晶，并为控制材料结构和材料特性提供了必要的数学描述"。

展望未来，志贺和他的同事们将利用这些技术提出探索玻璃材料的程序，这些程序基于数据驱动的方法，如机器学习和人工智能。

参考文献：《无定形和结晶二氧化硅中局部结构有序性的环状各向异性》，作者：Motoki Shiga、Akihiko Hirata、Yohei Onodera 和 Hirokazu Masai，2023 年 11 月 3 日，《通讯材料》（Communications Materials）。

DOI: 10.1038/s43246-023-00416-w

编译来源：ScitechDaily