发现二氧化硅玻璃中隐藏的结构规律

玻璃——无论是用于房屋隔热还是用作电脑和智能手机的屏幕——都是一种基本材料。然而，尽管它在人类历史上长期使用，但其原子构型的无序结构仍然困扰着科学家，这使得理解和控制其结构性质具有挑战性。这也使得设计由玻璃制成的高效功能材料变得困难。

为了更多地揭示玻璃材料中隐藏的结构规律，一个研究小组重点研究了玻璃化学键合网络中的环形形状。该小组包括东北大学史无前例规模的数据分析中心的志贺元树教授，他们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”。

利用这些指标，研究小组能够确定结晶二氧化硅和玻璃状二氧化硅 (SiO 2 ) 中代表性环形状的确切数量，找到玻璃特有的环和与晶体中的环相似的环的混合物。

此外，研究人员还开发了一种通过确定每个环的方向来测量环周围空间原子密度的技术。该研究发表在《通讯材料》杂志上。

他们揭示了环周围存在各向异性，即原子构型的调控在各个方向上并不均匀，而与环起源的各向异性相关的结构有序性与实验证据一致，例如二氧化硅2。研究还表明，在某些特定区域，原子排列遵循某种程度的有序或规律性，尽管玻璃态二氧化硅中的原子排列似乎是不和谐和混乱的。

“化学键之外的结构单元和结构顺序长期以来一直通过实验观察被假设，但迄今为止科学家们一直未能对其进行识别，”Shiga 说。“此外，我们的成功分析有助于理解相变，例如材料的玻璃化和结晶，并提供控制材料结构和材料性能所需的数学描述。”

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

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