Il vetro, sia che venga utilizzato per isolare le nostre case o come schermi dei nostri computer e smartphone, è un materiale fondamentale. Eppure, nonostante il suo lungo utilizzo nel corso della storia umana, la struttura disordinata della sua configurazione atomica sconcerta ancora gli scienziati, rendendo difficile la comprensione e il controllo della sua natura strutturale. Inoltre rende difficile progettare materiali funzionali efficienti realizzati in vetro.
Per scoprire di più sulla regolarità strutturale nascosta nei materiali vetrosi, un gruppo di ricerca si è concentrato sulle forme ad anello nelle reti di vetro legate chimicamente. Il gruppo, che includeva il professor Motoki Shiga del Centro di analisi dei dati su scala senza precedenti dell'Università di Tohoku, ha creato nuovi modi con cui quantificare la struttura tridimensionale e le simmetrie strutturali degli anelli:"rotondità" e "rugosità".
L'utilizzo di questi indicatori ha permesso al gruppo di determinare il numero esatto di forme di anelli rappresentative nella silice cristallina e vetrosa (SiO2 ), trovando una miscela di anelli tipici del vetro e altri che somigliavano agli anelli dei cristalli.
Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica per misurare le densità atomiche spaziali attorno agli anelli determinando la direzione di ciascun anello. Lo studio è pubblicato sulla rivista Communications Materials .
Hanno rivelato che c'è anisotropia attorno all'anello, cioè che la regolazione della configurazione atomica non è uniforme in tutte le direzioni, e che l'ordinamento strutturale correlato all'anisotropia originata dall'anello è coerente con l'evidenza sperimentale, come i dati di diffrazione di SiO2 . È stato anche rivelato che esistevano aree specifiche in cui la disposizione atomica seguiva un certo grado di ordine o regolarità, anche se sembrava essere una disposizione discordante e caotica degli atomi nella silice vetrosa.
"L'unità strutturale e l'ordine strutturale al di là del legame chimico erano stati a lungo ipotizzati attraverso osservazioni sperimentali, ma la sua identificazione finora è sfuggita agli scienziati", afferma Shiga. "Inoltre, la nostra analisi di successo contribuisce a comprendere le transizioni di fase, come la vetrificazione e la cristallizzazione dei materiali, e fornisce le descrizioni matematiche necessarie per controllare le strutture e le proprietà dei materiali."
Guardando al futuro, Shiga e i suoi colleghi utilizzeranno queste tecniche per elaborare procedure per esplorare i materiali di vetro, procedure basate su approcci basati sui dati come l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale.
Ulteriori informazioni: Motoki Shiga et al, Anisotropia originata dall'anello dell'ordinamento strutturale locale nel biossido di silicio amorfo e cristallino, Materiali per le comunicazioni (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00416-w
Fornito dall'Università di Tohoku
