Glas is een belangrijk materiaal in ons dagelijks leven en dient verschillende doeleinden, zoals warmte-isolatie, het vormen van schermen voor computers en smartphones, en meer. Het brede scala aan historische toepassingen ervan staat echter in schril contrast met de wetenschappelijke mysteries die voortkomen uit de wanordelijke atomaire structuur. Deze raadselachtige rangschikking van atomen bemoeilijkt de pogingen om de structurele eigenschappen van glas volledig te begrijpen en te manipuleren. Daarom blijft het ontwerpen van effectieve functionele materialen met behulp van brillen een uitdagende taak voor wetenschappers.

Vooruitgang in glasonderzoek

Om de structurele regelmatigheden die verborgen zijn in glasmaterialen verder te onthullen, concentreerde een onderzoeksteam zich op ringvormige structuren in het chemische bindingsnetwerk van glas. Een onderzoeksteam, waaronder professor Motoki Shiga van het Unprecedented Large-Scale Data Analysis Center van Tohoku University, creëerde nieuwe methoden om de driedimensionale structuur en structurele symmetrie van ringen te kwantificeren: "rondheid" en "ruwheid".

Ruimtelijke atoomdichtheid rond ringen in silicakristallen (links) en glazen (rechts). De blauwe en rode gebieden vertegenwoordigen gebieden met respectievelijk een hoge dichtheid aan siliciumatomen en zuurstofatomen. Bron afbeelding: MotokiShiga et al.

Met behulp van deze indicatoren bepaalde het team het exacte aantal representatieve ringvormen in kristallijn en glasachtig silica (SiO2), waarbij een mengsel van ringen werd gevonden die uniek zijn voor glas en soortgelijke ringen in het kristal.

Daarnaast ontwikkelden de onderzoekers een techniek om de dichtheid van atomen in de ruimte rond de ringen te meten door de oriëntatie van elke ring te bepalen.

Ringindex: (a) Berekeningsproces; (b) Voorbeeld van een index voor siliciumdioxide (SiO2); (c) Verdeling van vormindex in silicaglas en negen kristallen. Bron: MotokiShiga et al.

Ze ontdekten dat er anisotropie rond de ring bestaat, dat wil zeggen dat de aanpassing van de atomaire configuratie niet in alle richtingen consistent is, en dat de structurele volgorde die verband houdt met de door de ring veroorzaakte anisotropie consistent is met experimenteel bewijsmateriaal zoals diffractiegegevens van silica. Uit het onderzoek bleek ook dat de atomaire rangschikking in specifieke gebieden een zekere mate van orde of regelmaat volgde, ook al leek de atomaire rangschikking in glasachtig silica dissonant en chaotisch.

Doorbraken en toekomstige richtingen

"De structurele eenheden en structurele orde die verder gaan dan chemische bindingen zijn al lang afgeleid door experimentele observaties, maar tot nu toe hebben wetenschappers deze niet gevonden," zei Shiga. "Bovendien draagt ​​onze succesvolle analyse bij aan het begrip van faseovergangen, zoals verglazing en kristallisatie van materialen, en biedt het de noodzakelijke wiskundige beschrijving voor het beheersen van de materiaalstructuur en materiaaleigenschappen."

In de toekomst zullen Shiga en zijn collega's deze technologieën gebruiken om procedures voor te stellen voor het verkennen van glasmaterialen op basis van datagestuurde methoden zoals machinaal leren en kunstmatige intelligentie.

Referentie: "Cyclische anisotropie van lokale structurele orde in amorfe en kristallijne silica", door Motoki Shiga, Akihiko Hirata, Yohei Onodera en Hirokazu Masai, 3 november 2023, "Communicatiemateriaal".

DOI:10.1038/s43246-023-00416-w

Samengestelde bron: ScitechDaily