將二氧化矽在高溫下熔融的液體冷卻，並在不使其結晶的情況下固化而成的玻璃（非晶態固體）被稱為二氧化矽玻璃，被廣泛用於製作窗戶玻璃。在二氧化矽玻璃內部，以矽原子為中心、四個氧原子通過共價鍵結合而成的四面體為基本單元，這些四面體通過共用頂點的氧原子，形成網狀網絡式結構。然而，這一網路構造是如何產生硬度（剛性）的，至今尚未被充分闡明。
用手緊握沙子，可以捏出砂團。沙子因密集而表現出類似固體行為的現象，是理解物質如何獲得剛性的重要基本範例，在物理學中被稱為堵塞相變（Jamming Transition），在非平衡統計物理和軟物質物理領域被加以研究。就如同擁擠的電車中人們無法動彈一樣，約束越多，流動越困難，最終發生固化。這種自由度與約束數的平衡，不僅適用於沙粒堆積或人群擁擠，同樣可以用來解釋原子或分子聚集形成固體的現象。
東京大學研究生院綜合文化研究科的水野英如助教、筑波大學數理物質系物質工學域的森龍也助教、大阪大學產業科學研究所的南谷英美教授、義大利特倫託大學的Giacomo Baldi副教授等人組成的國際聯合研究團隊證實，窗玻璃的硬度與脆性的起源可以用「沙粒堵塞（堵塞相變）」的物理原理來解釋。相關成果已發表在《PNAS》上。
圖1．通過分子動力學模擬重現的二氧化矽玻璃（供圖：東京大學）
藍色圓點代表矽（Si）原子，紅色圓點代表氧（O）原子。二氧化矽玻璃中，以Si原子為中心、四個O原子通過共價鍵結合的「四面體」為基本單元，這些四面體通過共用頂點的氧原子，形成網狀網絡式結構。
研究團隊利用分子動力學模擬精確重現了二氧化矽玻璃，並對其內部網絡式結構進行了詳細分析。結果表明，Si—O共價鍵網路處於自由度與約束數（鍵數）恰好平衡的等約束表徵態。該網路處於穩定與不穩定的邊界，如果僅考慮共價鍵時，便處於剛性恰好為零的臨界條件。然而，在真實的二氧化矽玻璃中，凡得瓦力、庫侖力等相互作用同樣在起作用。這些弱相互作用使網路趨於穩定，並賦予其有限的剛性。因此，臨界網路骨架與弱相互作用帶來的穩定化相結合，被認為共同造就了窗玻璃既硬又脆的雙重特性。
這種等約束性不僅體現在剛性上，也鮮明地體現在原子的振動激發中。二氧化矽玻璃中，會出現超出固體標準理論——德拜理論預測的過剩振動激發，這一現象已通過光散射、非彈性X射線散射、非彈性中子散射被反復觀測到。
研究團隊揭示了二氧化矽玻璃因具有處於穩定與不穩定邊界的等約束性網路，從而產生過剩的軟振動激發。由此表明，基於堵塞相變物理所建立的理論框架、散射實驗獲得的觀測事實以及電脳模擬的結果，可以在一個統一的圖景下得到一致性理解。
該成果有望在未來發展出基於等約束性視角的新型玻璃材料開發方法。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）
論文：Boson peak in covalent network glasses: Isostaticity and marginal stability
DOI：10.1073/pnas.2528998123
