Среда, 21 февраля, 2024
ДомойНаукаРазоблачая тайну стекла: ученые раскрывают скрытые тайны атомной структуры

Разоблачая тайну стекла: ученые раскрывают скрытые тайны атомной структуры

- Advertisement -

Инновационное исследование под руководством профессора Мотоки Сига раскрыло сложную атомную структуру стекла, выявив уникальные закономерности и анизотропию. Это исследование открывает путь к расширенным исследованиям стеклянных материалов с использованием методов искусственного интеллекта и машинного обучения. Фото: Мотоки Сига.

Стекло, жизненно важный материал в нашей повседневной жизни, служит нескольким целям, например, для изоляции домов и создания экранов в компьютерах и смартфонах. Однако его широкое историческое использование контрастирует с научной загадкой, которую он представляет из-за своей неупорядоченной атомной структуры. Это загадочное расположение атомов усложняет попытки полностью понять и манипулировать структурными свойствами стекла. Следовательно, создание эффективных функциональных материалов из стекла остается сложной задачей для ученых.

Достижения в области исследований стекла

Чтобы узнать больше о структурных закономерностях, скрытых в стеклообразных материалах, исследовательская группа сосредоточилась на формах колец в химически связанных сетках стекла. Группа, в которую входил профессор Мотоки Сига из Центра анализа данных беспрецедентного масштаба Университета Тохоку, разработала новые способы количественной оценки трехмерной структуры колец и структурной симметрии: «округлости» и «шероховатости».

Пространственные плотности атомов вокруг колец в кристалле кремнезема (слева) и стекле (справа). Синие и красные области показывают области большой плотности атомов кремния и кислорода соответственно. Фото: Мотоки Сига и др.

Использование этих индикаторов позволило группе определить точное количество репрезентативных форм колец в кристаллическом и стеклообразном кремнеземе (SiO2), обнаружив смесь колец, уникальных для стекла, и колец, напоминающих кольца в кристаллах.

Кроме того, исследователи разработали метод измерения пространственной плотности атомов вокруг колец путем определения направления каждого кольца.

Индикаторы формы кольца: (а) Методика расчета, (б) Примеры индикаторов на кремнеземе (SiO2), (в) Распределение индикаторов формы в кварцевом стекле и девяти кристаллах. Фото: Мотоки Сига и др.

Они обнаружили, что вокруг кольца существует анизотропия, т. е. что регулирование атомной конфигурации не является однородным во всех направлениях, и что структурное упорядочение, связанное с анизотропией кольца, согласуется с экспериментальными данными, такими как дифракционные данные SiO.2. Также было обнаружено, что существовали определенные области, где расположение атомов соответствовало некоторой степени порядка или регулярности, хотя в стеклообразном кремнеземе это казалось беспорядочным и хаотичным расположением атомов.

Прорывы и будущие направления

«Структурная единица и структурный порядок за пределами химической связи уже давно предполагались посредством экспериментальных наблюдений, но их идентификация до сих пор ускользала от ученых», — говорит Сига. «Кроме того, наш успешный анализ способствует пониманию фазовых переходов, таких как стеклование и кристаллизация материалов, и обеспечивает математические описания, необходимые для управления структурами и свойствами материалов».

Заглядывая в будущее, Сига и его коллеги будут использовать эти методы для разработки процедур исследования стеклянных материалов, процедур, основанных на таких подходах, основанных на данных, как машинное обучение и ИИ.

Ссылка: «Кольцевая анизотропия локального структурного упорядочения в аморфном и кристаллическом диоксиде кремния», Мотоки Сига, Акихико Хирата, Ёхей Онодера и Хирокадзу Масаи, 3 ноября 2023 г., Коммуникационные материалы.
DOI: 10.1038/s43246-023-00416-w

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме