Motoki Shiga教授领导的一项突破性研究揭示了玻璃复杂的原子结构，揭示了独特的模式和各向异性。这项研究为利用人工智能和机器学习技术对玻璃材料进行高级探索铺平了道路。图片来源:Motoki Shiga
玻璃是我们日常生活中的一种重要材料，它有多种用途，比如为房屋隔热，为电脑和智能手机制作屏幕。然而，由于其无序的原子结构，它在历史上的广泛使用与它所呈现的科学奥秘形成了鲜明的对比。原子的这种令人费解的排列方式，使完全理解和操纵玻璃结构特性的努力变得更加复杂。因此，从玻璃中设计出有效的功能材料对科学家来说仍然是一项具有挑战性的任务。
为了揭示更多隐藏在玻璃材料中的结构规律，一个研究小组专注于玻璃化学键合网络中的环状结构。该小组包括来自东北大学空前规模数据分析中心的Motoki Shiga教授，他们创造了新的方法来量化环的三维结构和结构对称性:“圆度”和“粗糙度”。
硅晶体(左)和玻璃(右)环周围的空间原子密度。蓝色和红色区域分别表示硅原子和氧原子的大密度区域。来源:Motoki Shiga et al。
利用这些指标，研究小组确定了晶体和玻璃状二氧化硅(SiO2)中具有代表性的环的确切数量，发现了玻璃特有的环和晶体中类似环的混合物。
此外，研究人员还开发了一种技术，通过确定每个环的方向来测量环周围的空间原子密度。
环形指标:(a)计算程序，(b)二氧化硅(SiO2)指标示例，(c)二氧化硅玻璃和九种晶体中形状指标的分布。来源:Motoki Shiga et al。
他们发现环周围存在各向异性，即原子构型的规律在各个方向上并不均匀，并且与环源各向异性相关的结构顺序与实验证据一致，如SiO2的衍射数据。它还揭示了原子排列遵循某种程度的秩序或规律的特定区域，即使它在玻璃状二氧化硅中似乎是一个不和谐和混乱的原子排列。
志贺说:“长期以来，通过实验观察已经假设了化学键之外的结构单元和结构顺序，但直到现在，科学家们还没有确定它的身份。”“此外，我们成功的分析有助于理解相变，如材料的玻璃化和结晶，并为控制材料结构和材料性能提供必要的数学描述。”
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，这些程序基于数据驱动的方法，如机器学习和人工智能。
参考文献:“非晶二氧化硅和晶体二氧化硅的局部结构有序的环源各向异性”，作者:Motoki Shiga, Akihiko Hirata, Yohei onodera和Hirokazu Masai, 2023年11月3日，Communications Materials。DOI: 10.1038 / s43246 - 023 - 00416 - w
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