Glas ist ein wichtiges Material in unserem täglichen Leben und dient vielfältigen Zwecken wie der Wärmedämmung, der Herstellung von Bildschirmen für Computer und Smartphones und vielem mehr. Sein breites Spektrum an historischen Verwendungsmöglichkeiten steht jedoch in scharfem Kontrast zu den wissenschaftlichen Rätseln, die seine ungeordnete Atomstruktur aufwirft. Diese rätselhafte Anordnung der Atome erschwert die Bemühungen, die strukturellen Eigenschaften von Glas vollständig zu verstehen und zu manipulieren. Daher bleibt die Entwicklung effektiver funktioneller Materialien unter Verwendung von Gläsern eine anspruchsvolle Aufgabe für Wissenschaftler.

Fortschritte in der Glasforschung

Um die in Glasmaterialien verborgenen strukturellen Gesetzmäßigkeiten weiter aufzudecken, konzentrierte sich ein Forschungsteam auf ringförmige Strukturen im chemischen Bindungsnetzwerk des Glases. Ein Forschungsteam, zu dem auch Professor Motoki Shiga vom „Unprecedented Large-Scale Data Analysis Center“ der Universität Tohoku gehörte, entwickelte neue Methoden zur Quantifizierung der dreidimensionalen Struktur und Struktursymmetrie von Ringen: „Rundheit“ und „Rauheit“.

Räumliche Atomdichte um Ringe in Quarzkristallen (links) und Gläsern (rechts). Die blauen und roten Bereiche stellen Bereiche mit hoher Dichte an Siliziumatomen bzw. Sauerstoffatomen dar. Bildquelle: MotokiShiga et al.

Anhand dieser Indikatoren bestimmte das Team die genaue Anzahl repräsentativer Ringformen in kristallinem und glasartigem Siliziumdioxid (SiO2) und fand eine Mischung aus Ringen, die für das Glas einzigartig sind, und ähnlichen Ringen im Kristall.

Darüber hinaus entwickelten die Forscher eine Technik, um die Dichte der Atome im Raum um die Ringe herum zu messen, indem sie die Ausrichtung jedes Rings bestimmt.

Ringindex: (a) Berechnungsprozess; (b) Beispiel eines Indexes für Siliziumdioxid (SiO2); (c) Verteilung des Formindex in Quarzglas und neun Kristallen. Quelle: MotokiShiga et al.

Sie fanden heraus, dass es um den Ring herum eine Anisotropie gibt, das heißt, dass die Anpassung der Atomkonfiguration nicht in alle Richtungen konsistent ist, und dass die strukturelle Ordnung, die mit der durch den Ring verursachten Anisotropie verbunden ist, mit experimentellen Beweisen wie Beugungsdaten von Siliciumdioxid übereinstimmt. Die Studie ergab auch, dass die Atomanordnung in bestimmten Bereichen einem gewissen Grad an Ordnung oder Regelmäßigkeit folgte, obwohl die Atomanordnung in glasartigem Silizium widersprüchlich und chaotisch wirkte.

Durchbrüche und zukünftige Richtungen

„Die strukturellen Einheiten und die strukturelle Ordnung jenseits chemischer Bindungen wurden schon lange durch experimentelle Beobachtungen erschlossen, aber bis jetzt haben Wissenschaftler sie nicht gefunden“, sagte Shiga. „Darüber hinaus trägt unsere erfolgreiche Analyse zum Verständnis von Phasenübergängen wie der Vitrifizierung und Kristallisation von Materialien bei und liefert die notwendige mathematische Beschreibung zur Steuerung der Materialstruktur und Materialeigenschaften.“

Künftig werden Shiga und seine Kollegen diese Technologien nutzen, um Verfahren zur Erforschung von Glasmaterialien vorzuschlagen, die auf datengesteuerten Methoden wie maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz basieren.

Referenz: „Cyclic Anisotropy of Local Structural Order in Amorphous and Crystalline Silica“, von Motoki Shiga, Akihiko Hirata, Yohei Onodera und Hirokazu Masai, 3. November 2023, „Communications Materials“.

DOI:10.1038/s43246-023-00416-w

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily