El vidrio es un material importante en nuestra vida diaria y cumple una variedad de propósitos, como aislamiento térmico, formación de pantallas para computadoras y teléfonos inteligentes, y más. Sin embargo, su amplia gama de usos históricos contrasta marcadamente con los misterios científicos que plantea su estructura atómica desordenada. Esta desconcertante disposición de los átomos complica los esfuerzos por comprender y manipular completamente las propiedades estructurales del vidrio. Por lo tanto, diseñar materiales funcionales eficaces utilizando gafas sigue siendo una tarea desafiante para los científicos.

Avances en la investigación del vidrio

Para revelar aún más las regularidades estructurales ocultas en los materiales de vidrio, un equipo de investigación se centró en las estructuras en forma de anillo en la red de enlaces químicos del vidrio. Un equipo de investigación que incluye al profesor Motoki Shiga del Centro de Análisis de Datos a Gran Escala sin precedentes de la Universidad de Tohoku creó nuevos métodos para cuantificar la estructura tridimensional y la simetría estructural de los anillos: "redondez" y "rugosidad".

Densidad atómica espacial alrededor de anillos en cristales de sílice (izquierda) y vidrios (derecha). Las áreas azul y roja representan áreas de alta densidad de átomos de silicio y átomos de oxígeno, respectivamente. Fuente de la imagen: MotokiShiga et al.

Utilizando estos indicadores, el equipo determinó el número exacto de formas de anillos representativas en sílice cristalina y vítrea (SiO2), y encontró una mezcla de anillos exclusivos del vidrio y anillos similares en el cristal.

Además, los investigadores desarrollaron una técnica para medir la densidad de los átomos en el espacio alrededor de los anillos determinando la orientación de cada anillo.

Índice de anillo: (a) Proceso de cálculo; (b) Ejemplo de índice sobre dióxido de silicio (SiO2); (c) Distribución del índice de forma en vidrio de sílice y nueve cristales. Fuente: MotokiShiga et al.

Descubrieron que existe anisotropía alrededor del anillo, es decir, el ajuste de la configuración atómica no es consistente en todas las direcciones, y que el orden estructural asociado con la anisotropía causada por el anillo es consistente con evidencia experimental como los datos de difracción de sílice. El estudio también encontró que en áreas específicas, la disposición atómica seguía un cierto grado de orden o regularidad, aunque la disposición atómica en la sílice vítrea parecía discordante y caótica.

Avances y direcciones futuras

"Las unidades estructurales y el orden estructural más allá de los enlaces químicos se han inferido durante mucho tiempo a través de observaciones experimentales, pero hasta ahora los científicos no lo han encontrado", dijo Shiga. "Además, nuestro exitoso análisis contribuye a la comprensión de las transiciones de fase, como la vitrificación y la cristalización de materiales, y proporciona la descripción matemática necesaria para controlar la estructura y las propiedades del material".

En el futuro, Shiga y sus colegas utilizarán estas tecnologías para proponer procedimientos para explorar materiales de vidrio basados ​​en métodos basados ​​en datos, como el aprendizaje automático y la inteligencia artificial.

Referencia: "Anisotropía cíclica del orden estructural local en sílice amorfa y cristalina", por Motoki Shiga, Akihiko Hirata, Yohei Onodera y Hirokazu Masai, 3 de noviembre de 2023, "Materiales de comunicación".

DOI:10.1038/s43246-023-00416-w

Fuente compilada: ScitechDaily