Das Verständnis des strukturellen Ursprungs der anomalen Eigenschaften von SiO2-Flüssigkeit und Glas ist nicht nur in der Physik, sondern auch in der Geophysik, für das Verständnis der Natur von Silikatmagmen auf der Erde und anderen Planeten sowie in der Materialwissenschaft als Prototyp für netzwerkbildendes Glas von grundlegender Bedeutung . Theoretische Untersuchungen von SiO2-Flüssigkeit deuten darauf hin, dass die zweite Schalenstruktur von Silizium der Schlüssel zum Verständnis der anomalen Eigenschaften von SiO2-Flüssigkeit bei hohen Temperaturen und hohen Drücken ist.
Ein Strukturparameter z (z=dji-dj’i, wobei dji und dj’i der Abstand von jedem Siliziumatom i zum fünftnächsten Siliziumnachbarn j und zum viertnächsten Sauerstoffnachbarn j‘ ist) wurde entwickelt, um den zweiten zu untersuchen Schalenstruktur in SiO2-Flüssigkeit. Veröffentlicht in Naturkommunikation, fand die theoretische Studie eine bimodale Verteilung im Strukturparameter z bei variierenden Temperaturen, und die S- und r-Zustände werden den hohen bzw. niedrigen Verteilungen im Parameter z zugeordnet. Der S-Zustand niedriger Dichte in SiO2-Flüssigkeit besteht aus vier Silizium-Nachbaratomen in der ersten Schale und weist eine hohe tetraedrische Ordnung mit klarer Trennung zwischen der ersten und der zweiten Schale auf. Andererseits hat der r-Zustand mehr Silizium-Nachbaratome in der ersten Schale und zeigt eine niedrigere tetraedrische Ordnung als der S-Zustand.
Der Anteil des S-Zustands mit hoher Tetraederität wird in theoretischen Studien als der steuernde Parameter der anomalen Eigenschaften von SiO2-Flüssigkeit bei hohen Temperaturen und hohen Drücken angesehen. Es gab jedoch keine experimentelle Beobachtung der Struktur der zweiten Schale des Siliziums in SiO 2 -Flüssigkeit und/oder Glas bei hohen Temperatur- und/oder Hochdruckbedingungen.
In dieser Arbeit haben wir eine In-situ-Hochdruck-Paarverteilungsfunktionsmessung von SiO2-Glas durchgeführt, indem wir Hochfluss- und Hochenergie-Röntgenstrahlen von Undulatorquellen an den Strahllinien BL37XU und BL05XU in SPring-8 verwendet haben. Durch die Kombination des Hochdruck-Experimentalstrukturfaktors [S(Q)] genau bestimmt durch Verwendung von monochromatischer Röntgenstrahlung in einem weiten Bereich von Q bis zu 19-20 Å-1 mit der MD (Molecular Dynamics Simulation)-RMC (Reverse Monte Carlo)-Modellierung, konnten wir das strukturelle Verhalten von detailliert untersuchen SiO2-Glas über die nächsten Nachbarentfernungen hinaus unter in situ Hochdruckbedingungen. Wir fanden bimodale Merkmale in der Translationsordnung der zweiten Schale des Siliziums in Bezug auf den Strukturparameter z.
Das bimodale Verhalten in der Verteilung des Parameters z, das in dieser Studie in SiO2-Glas mit variierendem Druck beobachtet wurde, stimmt mit dem überein, das in der theoretischen Studie in SiO2-Flüssigkeit mit variierenden Temperaturen simuliert wurde. Die Struktur von SiO2-Glas mit der charakteristischen Verteilung des Parameters z bei 2,4–2,7 Å zeigt, dass eine tetraedrische Symmetriestruktur aus den nächsten vier Siliziumatomen in der ersten Schale gebildet wird und die erste und zweite Schale als fünfter Nachbar Silizium klar getrennt sind Atom befindet sich in der zweiten Schale. Das Strukturmerkmal entspricht der S-Zustandsstruktur niedriger Dichte, über die in der theoretischen Untersuchung von SiO2-Flüssigkeit berichtet wurde.
Andererseits zeigt die Struktur von SiO2-Glas mit der charakteristischen Verteilung von z bei 1,7 Å, dass sich das fünfte benachbarte Siliziumatom in der ersten Schale befindet, was auf den Kollaps der zweiten Schale des Siliziums auf die erste Schale und den Bruch des Lokals hindeutet Tetraedersymmetrie in SiO2-Glas unter Druck, sowie theoretische Beobachtung in SiO2-Flüssigkeit bei hohen Temperaturen und hohen Drücken.
Yoshio Kono et al, Experimentelle Beweise für das Brechen der tetraedrischen Symmetrie in SiO2-Glas unter Druck, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30028-w
Bereitgestellt von der Ehime University