Démystification du verre : les scientifiques révèlent les secrets de sa structure atomique cachée

Patrick Lesggie

Une étude révolutionnaire dirigée par le professeur Motoki Shiga a révélé la structure atomique complexe du verre, révélant des modèles uniques et une anisotropie. Cette recherche ouvre la voie à une exploration avancée des matériaux en verre en utilisant des techniques d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique. Crédit : Motoki Shiga

Le verre, un matériau vital dans notre vie quotidienne, sert à plusieurs fins, comme l’isolation des maisons et la fabrication d’écrans d’ordinateurs et de smartphones. Cependant, son utilisation historique extensive contraste avec le mystère scientifique qu’il présente en raison de sa structure atomique désordonnée. Cet arrangement déroutant des atomes complique les efforts visant à comprendre et à manipuler pleinement les propriétés structurales du verre. Par conséquent, la conception de matériaux fonctionnels efficaces à partir du verre reste une tâche difficile pour les scientifiques.

Progrès dans la recherche sur le verre

Pour en savoir plus sur la régularité structurelle cachée dans les matériaux vitreux, un groupe de recherche s’est concentré sur les formes d’anneaux dans les réseaux chimiquement liés du verre. Le groupe, qui comprenait le professeur Motoki Shiga du Centre d’analyse de données à l’échelle inédite de l’Université de Tohoku, a créé de nouvelles façons de quantifier la structure tridimensionnelle et les symétries structurales des anneaux : « la rondeur » et « l’irrégularité ».

Densités atomiques spatiales autour des anneaux dans le cristal de silice et dans le verre

Densités atomiques spatiales autour des anneaux dans le cristal de silice (à gauche) et le verre (à droite). Les régions bleues et rouges montrent les grandes régions de densité des atomes de silicium et d’oxygène, respectivement. Crédit: Motoki Shiga et al.

Grâce à ces indicateurs, le groupe a pu déterminer le nombre exact de formes d’anneaux représentatifs dans la silice cristalline et vitreuse (SiO2), trouvant un mélange d’anneaux uniques au verre et d’autres ressemblant aux anneaux dans les cristaux.

De plus, les chercheurs ont développé une technique pour mesurer les densités atomiques spatiales autour des anneaux en déterminant la direction de chaque anneau.

Indicateurs de forme de l'anneau Graphique

Indicateurs de la forme de l’anneau : (a) Procédure de calcul, (b) Exemples d’indicateurs sur la silice (SiO2), (c) Distribution des indicateurs de forme dans le verre de silice et neuf cristaux. Crédit: Motoki Shiga et al.

Ils ont révélé qu’il y a une anisotropie autour de l’anneau, c’est-à-dire que la régulation de la configuration atomique n’est pas uniforme dans toutes les directions, et que l’ordonnancement structural lié à l’anisotropie d’origine d’anneau est cohérent avec les preuves expérimentales, comme les données de diffraction de SiO2. Il a également été révélé qu’il existait des zones spécifiques où l’arrangement atomique suivait un certain degré d’ordre ou de régularité, même s’il semblait s’agir d’un arrangement désordonné et chaotique d’atomes dans la silice vitreuse.

Avancées et orientations futures

« L’unité structurale et l’ordre structurel au-delà de la liaison chimique étaient depuis longtemps supposés grâce à des observations expérimentales, mais leur identification échappait jusqu’à présent aux scientifiques », déclare Shiga. « De plus, notre analyse réussie contribue à la compréhension des transitions de phase, telles que la vitrification et la cristallisation des matériaux, et fournit les descriptions mathématiques nécessaires pour contrôler les structures et les propriétés matérielles. »

Pour l’avenir, Shiga et ses collègues utiliseront ces techniques pour mettre au point des procédures d’exploration des matériaux en verre, des procédures basées sur des approches basées sur les données, telles que l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle.

Référence : « Anisotropie d’origine d’anneau de l’ordonnancement structural local dans le dioxyde de silicium amorphe et cristallin » par Motoki Shiga, Akihiko Hirata, Yohei Onodera et Hirokazu Masai, 3 novembre 2023, Matériaux de communication.

DOI : 10.1038/s43246-023-00416-w