En la ciencia de los materiales, especialmente en el estudio de los vidrios, el orden de rango intermedio (IRO) es una de las áreas de investigación más interesantes debido a su importante influencia en las propiedades físicas de los vidrios. IRO se refiere a un orden de átomos de corto alcance (disposición atómica dentro de unas pocas distancias atómicas) pero menos que a un orden de largo alcance (patrones de disposición a distancias macroscópicas). En particular, en el caso de los vidrios covalentes, la IRO está marcada por fluctuaciones de densidad atómica.
Los experimentos de dispersión proporcionan una firma distintiva de IRO. En estos experimentos, los átomos de la muestra dispersan haces de alta energía, como rayos X y haces de neutrones. Las ondas dispersas interfieren entonces de forma constructiva o destructiva, dando como resultado puntos brillantes u oscuros, respectivamente. Los puntos brillantes se llaman picos de difracción. Para IRO en vidrios simétricos, se observa un pico de difracción distinto llamado primer pico de difracción agudo (FSDP). Se han propuesto varias interpretaciones para el origen de FSDP, incluidos planos de cuasired, que son planos atómicos con algunos patrones repetitivos, o la presencia de vacíos intersticiales, que son espacios en la disposición atómica. Sin embargo, la observación experimental directa de estas fluctuaciones de la densidad nuclear sigue siendo difícil de alcanzar.
En un nuevo estudio, un equipo de investigadores de Japón, dirigido por el Prof. Akihiko Hirata del Departamento de Ciencia de Materiales de la Universidad de Waseda e incluido el Prof. Motoki Shiga de la Universidad de Tohoku y el Dr. Shinji Kohara del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, ¿Qué es un ¿trabajo? Técnicas modernas para observar directamente el origen de FSDP y las fluctuaciones de densidad atómica en sílice (SiO2) vidrio “Combinamos nuestra técnica de difracción de electrones por haz de angstrom (ABED), que utilizamos anteriormente para observar estructuras a escala atómica en varios materiales de vidrio, con un dispositivo de filtro de energía para la difusión relacionada con FSDP. Para observar con éxito los picos y las correspondientes Disposiciones de SiO.2 vidrio”, explica el profesor Hirata. Su estudio fue publicado en la revista Materiales NPG Asia El 10 de mayo de 2024.
En el estudio, los investigadores realizaron primero experimentos ABED con un dispositivo de filtro de energía en una delgada capa de SiO.2 patrón de vidrio, obteniendo patrones de difracción claros asociados con FSDP. Luego, para comprender su origen, realizaron experimentos ABED virtuales utilizando un modelo estructural de SiO.2desarrollado mediante dinámica molecular y simulaciones de Monte Carlo. El modelo puede reproducir experimentos de dispersión de neutrones y rayos X de alta energía, incluidos los FSDP de muestras reales, lo que confirma la precisión del modelo. Los experimentos ABED virtuales realizados en el modelo produjeron patrones de difracción similares a los de los experimentos reales. Luego, los investigadores extrajeron del modelo estructural las disposiciones atómicas que generaron estos patrones.
El análisis reveló que las fluctuaciones periódicas de la densidad atómica según el FSDP se originaban a partir de disposiciones alternas de configuraciones atómicas columnares en forma de cadenas y vacíos intersticiales en forma de tubos. En particular, los huecos en forma de tubos se limitaron a una longitud de dos nanómetros. Las disposiciones de columnas formaron planos atómicos pseudobidimensionales, que proporcionan una descripción más específica de los cuasiplanos. Además, si bien estas estructuras locales no correspondían exactamente a cristales que exhibían estructuras atómicas ordenadas consistentemente en todo el material, mostraban propiedades parcialmente similares. Estos resultados proporcionan información importante sobre la IRO del vidrio.
El profesor Hirata destaca el uso potencial de materiales vítreos, especialmente como materiales anódicos en baterías o como electrolitos de estado sólido: “Los conocimientos fundamentales sobre las fluctuaciones de la densidad atómica obtenidos en este estudio acelerarán el desarrollo de estos materiales, lo que puede ayudar a mejorar el rendimiento de la batería. “.
En general, esta investigación avanza en nuestra comprensión de la estructura atómica de los vidrios, proporcionando nuevas direcciones para el control y desarrollo de materiales.
