Glas – oavsett om det används för att isolera våra hem eller som skärmar i våra datorer och smartphones – är ett grundläggande material. Ändå, trots dess långa användning genom mänsklighetens historia, förbryllar den oordnade strukturen av dess atomära konfiguration fortfarande forskare, vilket gör det svårt att förstå och kontrollera dess strukturella natur. Det gör det också svårt att designa effektiva funktionsmaterial av glas.

För att avslöja mer om den strukturella regelbundenhet som döljs i glasartade material har en forskargrupp fokuserat på ringformer i glasets kemiskt bundna nätverk. Gruppen, som inkluderade professor Motoki Shiga från Tohoku Universitys Unprecedent-scale Data Analytics Center, skapade nya sätt att kvantifiera ringarnas tredimensionella struktur och strukturella symmetrier:"rundhet" och "grovhet."

Genom att använda dessa indikatorer kunde gruppen bestämma det exakta antalet representativa ringformer i kristallin och glasartad kiseldioxid (SiO₂ ), hitta en blandning av ringar som är unika för glas och sådana som liknade ringarna i kristallerna.

Dessutom utvecklade forskarna en teknik för att mäta de rumsliga atomdensiteterna runt ringar genom att bestämma riktningen för varje ring. Studien är publicerad i tidskriften Communications Materials .

De avslöjade att det finns anisotropi runt ringen, det vill säga att regleringen av atomkonfigurationen inte är enhetlig i alla riktningar, och att den strukturella ordningen relaterad till den ring-ursprungliga anisotropin överensstämmer med experimentella bevis, som diffraktionsdata för SiO₂ . Det avslöjades också att det fanns specifika områden där atomarrangemanget följde en viss grad av ordning eller regelbundenhet, även om det verkade vara ett osämjat och kaotiskt arrangemang av atomer i glasartad kiseldioxid.

"Den strukturella enheten och den strukturella ordningen bortom den kemiska bindningen hade länge antagits genom experimentella observationer men dess identifiering har gäckat forskare fram till nu", säger Shiga. "Dessutom bidrar vår framgångsrika analys till att förstå fasövergångar, såsom förglasning och kristallisering av material, och ger de matematiska beskrivningar som krävs för att kontrollera materialstrukturer och materialegenskaper."

När vi ser framåt kommer Shiga och hans kollegor att använda dessa tekniker för att komma på procedurer för att utforska glasmaterial, procedurer som är baserade på datadrivna tillvägagångssätt som maskininlärning och AI.

Mer information: Motoki Shiga et al, Ring-ursprunglig anisotropi av lokal strukturell ordning i amorf och kristallin kiseldioxid, Kommunikationsmaterial (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00416-w

Tillhandahålls av Tohoku University