玻璃——無論是用于房屋隔熱還是用作電腦和智能手機的屏幕——都是一種基本材料。然而，盡管它在人類歷史上長期使用，但其原子構型的無序結構仍然困擾著科學家，這使得理解和控制其結構性質具有挑戰性。這也使得設計由玻璃制成的高效功能材料變得困難。

為了更多地揭示隱藏在玻璃材料中的結構規律，一個研究小組重點研究了玻璃化學鍵合網絡中的環形。該小組包括東北大學史無前例規模的數據分析中心的志賀元樹教授，他們創造了量化環的三維結構和結構對稱性的新方法：“圓度”和“粗糙度”。

利用這些指標，研究小組能夠確定結晶二氧化硅和玻璃狀二氧化硅 (SiO 2 ) 中代表性環形狀的確切數量，找到玻璃特有的環和與晶體中的環相似的環的混合物。

此外，研究人員還開發了一種通過確定每個環的方向來測量環周圍空間原子密度的技術。

他們揭示了環周圍存在各向異性，即原子構型的調控在所有方向上并不均勻，并且與環起源的各向異性相關的結構有序性與實驗證據一致，例如SiO的衍射數據2 . 研究還表明，在某些特定區域，原子排列遵循某種程度的有序或規律性，盡管玻璃態二氧化硅中的原子排列似乎是不和諧和混亂的。

“化學鍵之外的結構單元和結構順序長期以來一直通過實驗觀察被假設，但迄今為止科學家們一直未能對其進行識別，”Shiga 說。“此外，我們的成功分析有助于理解相變，例如材料的玻璃化和結晶，并提供控制材料結構和材料性能所需的數學描述。”

展望未來，志賀和他的同事將利用這些技術提出探索玻璃材料的程序，這些程序基于機器學習和人工智能等數據驅動的方法。

他們的研究結果于 2023 年 11 月 3 日在《通訊材料》雜志上公開發表 。