玻璃是我們日常生活中的重要材料，具有多種用途，如隔熱、形成電腦和智慧型手機的螢幕等。然而，其廣泛的歷史用途與其無序的原子結構所帶來的科學奧秘形成了鮮明對比。這種令人費解的原子排列方式使充分理解和操縱玻璃結構特性的工作變得更加複雜。因此，利用玻璃設計有效的功能性材料對科學家來說仍然是一項具有挑戰性的任務。

玻璃研究的進展

為了進一步揭示隱藏在玻璃材料中的結構規律性，一個研究小組重點研究了玻璃化學鍵網絡中的環形結構。東北大學史無前例的大規模資料分析中心的志賀元紀（Motoki Shiga）教授等人組成的研究小組創造了量化環的三維結構和結構對稱性的新方法：”圓度”和”粗糙度”。

二氧化矽晶體（左）和玻璃（右）中環周圍的空間原子密度。藍色和紅色區域分別表示矽原子和氧原子的大密度區域。圖片來源：Motoki Shiga 等人

利用這些指標，研究小組確定了晶體和玻璃二氧化矽（SiO2）中具有代表性的環形狀的確切數量，發現了玻璃中特有的環和晶體中類似的環的混合物。

此外，研究人員還開發了一種技術，透過確定每個環的方向來測量環周圍的空間原子密度。

環形指標： (a）計算過程；（b）二氧化矽（SiO2）上的指標範例；（c）形狀指標在矽玻璃和九種晶體中的分佈。資料來源：Motoki Shiga 等人。

他們發現環周圍存在著各向異性，即原子構型的調節並非在所有方向上都是一致的，而與環引起的各向異性相關的結構有序性與實驗證據（如二氧化矽的衍射數據）是一致的。研究還發現，在一些特定區域，原子排列遵循某種程度的有序性或規則性，儘管玻璃矽石中的原子排列看似不和諧和混亂。

突破和未來方向

“化學鍵之外的結構單元和結構秩序早已透過實驗觀察被推測出來，但直到現在科學家們還沒有找到它，”Shiga 說。”此外，我們的成功分析有助於理解相變，如材料的玻璃化和結晶，並為控製材料結構和材料特性提供了必要的數學描述”。

展望未來，志賀和他的同事將利用這些技術提出探索玻璃材料的程序，這些程序基於數據驅動的方法，如機器學習和人工智慧。

參考文獻：《無定形與結晶二氧化矽中局部結構有序性的環狀各向異性》，作者：Motoki Shiga、Akihiko Hirata、Yohei Onodera 和Hirokazu Masai，2023 年11 月3 日，《通訊材料》 （Communications Materials）。

DOI: 10.1038/s43246-023-00416-w

編譯來源：ScitechDaily