Glas – of het nu wordt gebruikt om onze huizen te isoleren of als schermen in onze computers en smartphones – is een fundamenteel materiaal. Maar ondanks het lange gebruik ervan in de geschiedenis van de mensheid, brengt de wanordelijke structuur van de atomaire configuratie wetenschappers nog steeds in verwarring, waardoor het begrijpen en beheersen van de structurele aard ervan een uitdaging wordt. Het maakt het ook moeilijk om efficiënte functionele materialen van glas te ontwerpen.

Om meer te weten te komen over de structurele regelmaat die verborgen is in glasachtige materialen, heeft een onderzoeksgroep zich geconcentreerd op ringvormen in de chemisch gebonden netwerken van glas. De groep, waartoe ook professor Motoki Shiga van het Unprecedented-scale Data Analytics Center van Tohoku University behoorde, creëerde nieuwe manieren om de driedimensionale structuur en structurele symmetrieën van de ringen te kwantificeren:'rondheid' en 'ruwheid'.

Met behulp van deze indicatoren kon de groep het exacte aantal representatieve ringvormen in kristallijn en glasachtig silica (SiO₂) bepalen. ), waarbij we een mix vonden van ringen die uniek zijn voor glas en ringen die leken op de ringen in de kristallen.

Bovendien ontwikkelden de onderzoekers een techniek om de ruimtelijke atomaire dichtheden rond ringen te meten door de richting van elke ring te bepalen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Communications Materials .

Ze onthulden dat er anisotropie rond de ring bestaat, dat wil zeggen dat de regulatie van de atomaire configuratie niet uniform is in alle richtingen, en dat de structurele ordening gerelateerd aan de door de ring veroorzaakte anisotropie consistent is met experimenteel bewijs, zoals de diffractiegegevens van SiO₂ . Er werd ook onthuld dat er specifieke gebieden waren waar de atomaire rangschikking een zekere mate van orde of regelmaat vertoonde, ook al leek het een onenigheid en chaotische rangschikking van atomen in glasachtig silica.

"De structurele eenheid en structurele orde buiten de chemische binding werd al lang aangenomen door experimentele observaties, maar de identificatie ervan is tot nu toe aan wetenschappers ontgaan", zegt Shiga. "Bovendien draagt ​​onze succesvolle analyse bij aan het begrijpen van faseovergangen, zoals verglazing en kristallisatie van materialen, en biedt het de wiskundige beschrijvingen die nodig zijn voor het controleren van materiaalstructuren en materiaaleigenschappen."

Vooruitkijkend zullen Shiga en zijn collega's deze technieken gebruiken om procedures te bedenken voor het verkennen van glasmaterialen, procedures die gebaseerd zijn op datagestuurde benaderingen zoals machinaal leren en AI.

Meer informatie: Motoki Shiga et al, Ring-oorsprong anisotropie van lokale structurele ordening in amorf en kristallijn siliciumdioxide, Communicatiematerialen (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00416-w

Aangeboden door Tohoku Universiteit