早稻田大学理工学院的平田明彦教授、东北大学三党规模数据分析中心的志贺一起教授、物质与材料研究机构材料基础研究中心的小原真司研究组组长等人组成的研究团队发表研究成果称，利用埃米电子衍射法，发现了在看似不规则结构的最常见玻璃材料——二氧化硅（SiO₂）玻璃中，实际上存在着纳米尺度的柱状结构，这些结构几乎等间隔排列，从而形成了一种局部有序的结构。这种有序结构与玻璃中的密度不均匀（密度波动）特征密切相关，有望提升玻璃材料在使用时的离子导电性、强度及光学特性。相关研究成果已于5月10日发表在国际学术期刊《NPG Asia Materials》上。
图1．通过埃米电子衍射实验观察到的二氧化硅玻璃中存在的纳米尺度柱状结构局部准周期排列。（供图：早稻田大学）
玻璃是一种不规则的固体材料，最具代表性的二氧化硅（SiO₂）玻璃具有环状结构，且其结构分布很有特点。当向这种玻璃照射X射线或中子射线等短波时，就会出现一种被称为“FSDP”的衍射峰，其对应的周期比原子间的尺度更大。关于这一现象，有人曾提出了“准晶格面”这一特指玻璃局部会呈现出一定规律性结构的概念，但其具体细节一直未被明确。
此次，为了揭示玻璃中“准晶格面”这一概念的详细情况，研究团队将关注重点放在了“FSDP”衍射峰上。通过开发的埃米电子衍射法成功地直接观察到极其细微的结构，发现了存在于玻璃中的原子纳米尺度柱状结构（一种由原子结合形成的约2纳米长的直线状结构）及其排列相关的多种不同周期性。
这些柱状结构几乎周期性地排列，形成了“准晶格面”的区域，阐明了特征性衍射峰的由来。
这种柱状结构通过起桥梁作用的原子相互连接，基本按等间隔排列状构成了准晶格面，研究人员由此推断这种构造导致了FSDP现象的产生。
此外，这些柱状结构还环绕形成了一些柱状空隙，这也表明了存在明显的密度波动。
今后，研究团队还将系统地研究不同种类和制备方法的玻璃中引入的密度波动，特别是被称为缺陷的结构，以期能开发出性能更高的玻璃材料。
平田教授表示：“通过从可以清晰观察到二氧化硅玻璃局部结构规律性的角度，用电子束进行观测，我们能够获得比以往更多的玻璃结构的信息，再结合计算机分析，成功揭示了此前讨论的其密度波动的特征。而这种密度波动的解析对于玻璃材料的应用特性是具有决定性影响的，预计今后或将成为玻璃材料开发中不可或缺的一项技术。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：NPG Asia Materials
论文：Direct observation of the atomic density fluctuation originating from the first sharp diffraction peak in SiO2 glass
DOI：doi.org/10.1038/s41427-024-00544-w
