El vidrio, ya sea utilizado para aislar nuestros hogares o como pantalla de nuestras computadoras y teléfonos inteligentes, es un material fundamental. Sin embargo, a pesar de su uso prolongado a lo largo de la historia de la humanidad, la estructura desordenada de su configuración atómica todavía desconcierta a los científicos, lo que dificulta la comprensión y el control de su naturaleza estructural. También dificulta el diseño de materiales funcionales eficientes hechos de vidrio.
Para descubrir más sobre la regularidad estructural oculta en los materiales vítreos, un grupo de investigación se ha centrado en las formas de los anillos en las redes de vidrio unidas químicamente. El grupo, que incluía al profesor Motoki Shiga del Centro de análisis de datos a escala sin precedentes de la Universidad de Tohoku, creó nuevas formas de cuantificar la estructura tridimensional y las simetrías estructurales de los anillos:"redondez" y "rugosidad".
El uso de estos indicadores permitió al grupo determinar el número exacto de formas de anillos representativas en sílice cristalina y vítrea (SiO2 ), encontrando una mezcla de anillos exclusivos del vidrio y otros que se parecían a los anillos de los cristales.
Además, los investigadores desarrollaron una técnica para medir las densidades atómicas espaciales alrededor de los anillos determinando la dirección de cada anillo. El estudio se publica en la revista Communications Materials. .
Revelaron que existe anisotropía alrededor del anillo, es decir, que la regulación de la configuración atómica no es uniforme en todas las direcciones, y que el orden estructural relacionado con la anisotropía originada en el anillo es consistente con la evidencia experimental, como los datos de difracción de SiO2 . También se reveló que había áreas específicas donde la disposición atómica seguía cierto grado de orden o regularidad, a pesar de que parecía ser una disposición discordante y caótica de los átomos en la sílice vítrea.
"La unidad estructural y el orden estructural más allá del enlace químico se habían asumido durante mucho tiempo mediante observaciones experimentales, pero su identificación ha eludido a los científicos hasta ahora", dice Shiga. "Además, nuestro exitoso análisis contribuye a comprender las transiciones de fase, como la vitrificación y la cristalización de materiales, y proporciona las descripciones matemáticas necesarias para controlar las estructuras y propiedades de los materiales".
De cara al futuro, Shiga y sus colegas utilizarán estas técnicas para idear procedimientos para explorar materiales de vidrio, procedimientos que se basan en enfoques basados en datos como el aprendizaje automático y la inteligencia artificial.
Más información: Motoki Shiga et al, Anisotropía originada en anillos del ordenamiento estructural local en dióxido de silicio amorfo y cristalino, Materiales de comunicación (2023). DOI:10.1038/s43246-023-00416-w
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
