在材料科學中，特別是在玻璃研究中，中程有序 (IRO) 是最有趣的研究領域之一，因為它對玻璃的物理性質有顯著的影響。IRO 是指原子的結構排列超出短程有序(幾個原子距離內的原子排列)但短于長程有序(宏觀距離上的排列模式)。值得注意的是，對于共價玻璃，IRO 以原子密度波動為特征。

散射實驗提供了 IRO 的獨特特征。在這些實驗中，X 射線和中子束等高能光束被樣品的原子散射。然后，散射波發生建設性或破壞性干涉，分別產生亮點或暗點。亮點稱為衍射峰。對于共價玻璃中的 IRO，已經觀察到一個稱為第一個尖銳衍射峰 (FSDP) 的獨特衍射峰。對于 FSDP 的起源，人們提出了各種解釋，包括準晶格平面(具有一些重復模式的原子平面)或間隙空隙的存在(即原子排列中的間隙)。然而，對這些原子密度波動的直接實驗觀察仍然難以實現。

在一項新研究中，一個研究小組由早稻田大學材料科學系的 Akihiko Hirata 教授領導，其中包括東北大學的 Motoki Shiga 教授和國家材料科學研究所的 Shinji Kohara 博士，采用了一種創新技術來直接觀察 FSDP 的起源和二氧化硅 (SiO 2 ) 玻璃中的原子密度波動。“我們將我們之前用于觀察各種玻璃材料中原子級結構的埃束電子衍射 (ABED) 技術與能量過濾裝置相結合，成功觀察到了與 FSDP 相關的衍射峰和 SiO 2玻璃的相關原子排列，”Hirata 教授解釋說。他們的研究于 2024 年 5 月 10 日發表在NPG Asia Materials 雜志上。

研究中，研究人員首先在薄層 SiO 2玻璃樣品上用能量濾波裝置進行 ABED 實驗，獲得了與 FSDP 相關的清晰的衍射圖案。接下來，為了了解其起源，他們利用通過分子動力學和蒙特卡洛模擬開發的 SiO 2結構模型進行了虛擬 ABED 實驗。該模型可以重現高能 X 射線和中子散射實驗，包括真實樣品的 FSDP，驗證了模型的有效性。在模型上進行的虛擬 ABED 實驗產生了與真實實驗相似的衍射圖案。研究人員隨后從結構模型中提取了產生這些圖案的原子排列。

分析表明，對應于 FSDP 的周期性原子密度波動源自鏈狀柱狀原子結構和間隙管狀空隙的交替排列。值得注意的是，管狀空隙的長度限制在兩納米以內。柱狀排列形成偽二維原子平面，為準晶格平面提供了更具體的描述。此外，雖然這些局部結構并不完全對應于在整個材料中表現出一致有序原子結構的晶體，但它們顯示出部分相似的特征。這些發現為玻璃的 IRO 提供了重要的見解。

Hirata 教授強調了玻璃材料的潛在應用，特別是在電池中作為陽極材料或固態電解質：“從這項研究中獲得的對原子密度波動的根本性見解有助于加速這些材料的開發，從而提高電池性能。 ”

總的來說，這項研究增進了我們對玻璃原子結構的理解，為材料的控制和開發提供了新的方向。