Comprendere l'origine strutturale delle proprietà anomale di SiO₂ liquido e vetro sono fondamentali non solo in fisica, ma anche in geofisica, per comprendere la natura dei magmi di silicato nella Terra e in altri pianeti e nella scienza dei materiali come prototipo di vetro che forma reti. Studi teorici di SiO₂ liquido suggeriscono che la struttura del secondo guscio del silicio sia la chiave per comprendere le proprietà anomale di SiO₂ liquido ad alte temperature e pressioni elevate.

Un parametro strutturale z (z=d_ji - d_j'i , dove d_ji e d_j'i è la distanza da ciascun atomo di silicio i al quinto vicino di silicio j più vicino e al quarto vicino di ossigeno più vicino j') è stato sviluppato per studiare la struttura del secondo guscio in SiO₂ liquido. Pubblicato in Comunicazioni sulla natura , lo studio teorico ha trovato una distribuzione bimodale nel parametro strutturale z al variare della temperatura e gli stati S e r sono assegnati rispettivamente alle distribuzioni alta e bassa nel parametro z. Lo stato S a bassa densità in SiO₂ liquido è costituito da quattro atomi vicini di silicio nel primo guscio e mostra un ordine tetraedrico elevato con una chiara separazione tra il primo e il secondo guscio. D'altra parte, lo stato r ha più atomi vicini di silicio nel primo guscio e mostra un ordine tetraedrico inferiore rispetto allo stato S.

La frazione dello stato S con elevata tetraedricità è considerata il parametro di controllo delle proprietà anomale di SiO₂ liquido ad alte temperature e alte pressioni negli studi teorici. Tuttavia, non c'è stata alcuna osservazione sperimentale della struttura del secondo guscio di silicio in SiO₂ liquido e/o vetro ad alta temperatura e/o alta pressione.

In questo lavoro, abbiamo effettuato la misurazione in situ della funzione di distribuzione della coppia ad alta pressione di SiO₂ vetro utilizzando raggi X ad alto flusso e ad alta energia da sorgenti ondulatori alle linee di luce BL37XU e BL05XU in SPring-8. Combinando il fattore di struttura sperimentale ad alta pressione [S(Q)] determinato con precisione utilizzando raggi X monocromatici in un'ampia gamma di Q fino a 19-20 Å ^-1 con la modellazione MD (simulazione di dinamica molecolare)-RMC (Monte Carlo inverso) abbiamo potuto studiare in dettaglio il comportamento strutturale di SiO₂ vetro oltre le distanze vicine più vicine in condizioni di alta pressione in situ. Abbiamo trovato caratteristiche bimodali nell'ordine di traslazione del secondo guscio del silicio in termini di parametro strutturale z.

Il comportamento bimodale nella distribuzione del parametro z osservato in SiO₂ il vetro con pressione variabile in questo studio è coerente con quello simulato in SiO₂ liquido con temperature variabili nello studio teorico. La struttura di SiO₂ il vetro con la distribuzione caratteristica del parametro z a 2,4–2,7 Å mostra che una struttura di simmetria tetraedrica formata dai quattro atomi di silicio più vicini nel primo guscio e il primo e il secondo guscio sono chiaramente separati quando il quinto atomo di silicio vicino si trova nel secondo guscio. La caratteristica strutturale corrisponde alla struttura dello stato S a bassa densità riportata nello studio teorico di SiO₂ liquido.

D'altra parte, la struttura di SiO₂ il vetro con la distribuzione caratteristica di z a 1,7 Å mostra che il quinto atomo di silicio vicino si trova nel primo guscio, il che indica il collasso del secondo guscio del silicio sul primo guscio e la rottura della simmetria tetraedrica locale in SiO_{2 vetro sotto pressione, nonché osservazione teorica in SiO2 liquido ad alte temperature e pressioni elevate. + Esplora ulteriormente}

Rompere la simmetria locale:perché l'acqua si congela ma la silice forma un bicchiere