В материаловедении, в частности в изучении стекол, промежуточный порядок (IRO) является одной из самых интригующих областей исследований благодаря его значительному влиянию на физические свойства стекол, сообщает Университет Васэда (Япония). Под IRO понимается структурное расположение атомов, выходящее за рамки ближнего порядка (расположение атомов в пределах нескольких атомных расстояний), но меньшее, чем дальний порядок (расположение на макроскопических расстояниях).

Примечательно, что для ковалентных стекол IRO характеризуется флуктуациями атомной плотности. Эксперименты по рассеянию дают четкую характеристику IRO. В этих исследованиях высокоэнергетические пучки, такие как рентгеновские и нейтронные, рассеиваются атомами образца. Затем рассеянные волны интерферируют конструктивно или деструктивно, что приводит к появлению ярких или темных пятен соответственно. Яркие пятна называются дифракционными пиками.

Для IRO в ковалентных стеклах наблюдается отчетливый дифракционный пик, называемый первым резким дифракционным пиком (FSDP). Были предложены различные интерпретации происхождения FSDP, включая квазирешетчатые плоскости, которые представляют собой атомные плоскости, имеющие некоторые повторяющиеся паттерны, или наличие междоузельных пустот, которые являются пробелами в атомном расположении. Однако прямое экспериментальное наблюдение этих флуктуаций атомной плотности оставалось труднодостижимым.

В новом исследовании группа ученых из Японии под руководством профессора Акихико Хираты с факультета материаловедения Университета Васэда применила инновационную методику для прямого наблюдения происхождения FSDP и флуктуаций атомной плотности в кварцевом (SiO₂) стекле.

«Мы объединили метод дифракции электронов на пучке ангстрема (ABED), который ранее использовали для наблюдения атомных структур в различных стеклянных материалах, с устройством энергетического фильтра, чтобы успешно наблюдать дифракционные пики, связанные с FSDP, и соответствующие атомные структуры в стекле SiO₂», – объясняет профессор Хирата.

Исследование было опубликовано в журнале NPG Asia Materials.

Анализ показал, что периодические флуктуации атомной плотности, соответствующие FSDP, происходят от чередования цепочкообразных столбчатых атомных конфигураций и межслоевых трубообразных пустот. Примечательно, что длина пустот не превышала двух нанометров. Столбчатые конфигурации образовывали псевдодвумерные атомные плоскости, обеспечивая более конкретное описание плоскостей квазирешетки. Более того, хотя эти локальные структуры не совсем соответствовали кристаллам, которые демонстрируют последовательно упорядоченные атомные структуры по всему материалу, они демонстрировали частично схожие черты. Эти результаты дают важное представление об IRO стекол.