早稻田大學理工學院的平田明彥教授、東北大學三黨規模數據分析中心的志賀一起教授、物質與材料研究機構材料基礎研究中心的小原真司研究組組長等人組成的研究團隊發表研究成果稱，利用埃米電子繞射法，發現了在看似不規則結構的最常見玻璃材料——二氧化矽（SiO₂）玻璃中，實際上存在着奈米尺度的柱狀結構，這些結構幾乎等隔膜排列，從而形成了一種局部有序的結構。這種有序結構與玻璃中的密度不均勻（密度波動）特徵密切相關，有望提升玻璃材料在使用時的離子導電、強度及光學特性。相關研究成果已於5月10日發表在國際學術期刊《NPG Asia Materials》上。
圖1．透過埃米電子繞射實驗觀察到的二氧化矽玻璃中存在的奈米尺度柱狀結構局部海面相對上升變化週期排列。（供圖：早稻田大學）
玻璃是一種不規則的固體材料，最具代表性的二氧化矽（SiO₂）玻璃具有環狀結構，且其結構分佈很有特點。當向這種玻璃照射X射線或中介子射線等短波時，就會出現一種被稱爲「FSDP」的繞射峯，其對應的週期比原子間的尺度更大。關於這一現象，有人曾提出了「準晶格面」這一特指玻璃局部會呈現出一定規律性結構的概念，但其具體細節一直未被明確。
此次，爲了揭示玻璃中「準晶格面」這一概念的詳細情況，研究團隊將關注重點放在了「FSDP」繞射峯上。透過開發的埃米電子繞射法成功地直接觀察到極其細微的結構，發現了存在於玻璃中的原子奈米尺度柱狀結構（一種由原子結合形成的約2奈米長的直線狀結構）及其排列相關的多種不同週期性。
這些柱狀結構幾乎週期性地排列，形成了「準晶格面」的區域，闡明瞭特徵性繞射峯的由來。
這種柱狀結構透過起橋樑作用的原子相互連接，基本按等隔膜排列狀構成了準晶格面，研究人員由此推斷這種構造導致了FSDP現象的產生。
此外，這些柱狀結構還環繞形成了一些柱狀空隙，這也表明了存在明顯的密度波動。
今後，研究團隊還將系統地研究不同種類和製備方法的玻璃中引入的密度波動，特別是被稱爲缺陷的結構，以期能開發出性能更高的玻璃材料。
平田教授表示：「透過從可以清晰觀察到二氧化矽玻璃局部結構規律性的角度，用電子束進行觀測，我們能夠獲得比以往更多的玻璃結構的資訊，再結合電腦分析，成功揭示了此前討論的其密度波動的特徵。而這種密度波動的解析對於玻璃材料的應用特性是具有決定性影響的，預計今後或將成爲玻璃材料開發中不可或缺的一項技術。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：NPG Asia Materials
論文：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
