Material som har en oordnad struktur utan regelbundet upprepande mönster beskrivs som amorfa. Sådana material finns i naturen och har också en mängd olika tillämpningar inom teknik. Dock, den oordnade naturen hos dessa material gör dem mer utmanande att karakterisera än kristallina strukturer.

Nu, forskare vid University of Tokyo Institute of Industrial Science har visat att strukturen hos en viss klass av vätskor och amorfa material, känd som tetraedriska glasformare, kan förstås från experimentella mätningar. Deras resultat publicerades i Vetenskapens framsteg .

När ett kristallint material sprider röntgenstrålar eller neutroner, den producerar ett väldefinierat mönster som ett resultat av dess struktur. I kontrast, mönstren som produceras av vätskor och amorfa material visar breda toppar som inte ger samma grad av information. Dock, vätskor och amorfa material som har en tendens att bilda ett nätverk, som kiseldioxid och kisel, är kända för att uppvisa en egenskap som kallas den första skarpa diffraktionstoppen (FSDP).

Många teorier som kopplar FSDP:s egenskaper till strukturen hos det relaterade materialet har presenterats; dock, det finns fortfarande ingen accepterad konsensus om vad som ger upphov till dessa egenskaper. Nu har forskare visat att FSDP är ett resultat av den tetraedriska karaktären hos den lokala ordningen av atomer i vätskan.

"Den kovalenta karaktären av bindningen i vätskorna vi studerade resulterar i en viss grad av organisation på lokal nivå, även om ordningen inte sträcker sig över en lång räckvidd, " studie motsvarande författare Hajime Tanaka förklarar. "Vi fokuserade på den tetraedriska enhetsstrukturen som bildas i materialen, och som ett resultat har etablerat en modell som kan stödja en rad experimentella fynd."

Forskarna testade sin tetraedermodell med hjälp av simulerade och experimentella data för många oxider, halogenid, kalkogenid, och monoatomiska material i flytande eller amorfa tillstånd. Fynden kunde förklara ursprunget till FSDP såväl som andra högre vågtalstoppar och funktioner.

"Vi har visat direkta bevis på en tvåtillståndsstruktur där ordning och oordning samexisterar i samma nätverk och bildar vätska, " Förstaförfattaren Rui Shi förklarar. "Vi hoppas att våra resultat kommer att leda till en förbättrad förståelse av egenskaperna hos tetraedriska vätskor och glas, och har följaktligen en inverkan på områden som geovetenskap och halvledarmaterial."

Den direkta kopplingen mellan data som kan erhållas med hjälp av standardtekniker och kvantitativ strukturell information om graden och omfånget av lokal ordning visar den presenterade modellens praktiska betydelse och potential.