Une étude révolutionnaire dirigée par le professeur Motoki Shiga a dévoilé la structure atomique complexe du verre, révélant des motifs et une anisotropie uniques. Cette recherche ouvre la voie à une exploration avancée des matériaux verriers à l’aide de techniques d’IA et d’apprentissage automatique. Crédit : Motoki Shiga
Le verre, un matériau essentiel dans notre vie quotidienne, sert à plusieurs fins, comme isoler les maisons et former des écrans dans les ordinateurs et les smartphones. Cependant, son utilisation historique étendue contraste avec le mystère scientifique qu’il présente en raison de sa structure atomique désordonnée. Cet arrangement déroutant d’atomes complique les efforts visant à comprendre et à manipuler pleinement les propriétés structurelles du verre. Par conséquent, concevoir des matériaux fonctionnels efficaces à partir du verre reste une tâche difficile pour les scientifiques.
Avancées 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 de verre liés chimiquement. Le groupe, qui comprenait le professeur Motoki Shiga du centre d’analyse de données sans précédent de l’université de Tohoku, a créé de nouvelles façons de quantifier la structure tridimensionnelle et les symétries structurelles des anneaux : « rondeur » et « rugosité ».
Densités atomiques spatiales autour des anneaux du cristal de silice (à gauche) et du verre (à droite). Les régions bleues et rouges montrent respectivement des régions de grande densité d’atomes de silicium et d’oxygène. Crédit : Motoki Shiga et al.
L’utilisation de ces indicateurs a permis au groupe de déterminer le nombre exact de formes d’anneaux représentatives dans la silice cristalline et vitreuse (SiO2), trouvant un mélange d’anneaux uniques au verre et d’anneaux qui ressemblaient aux anneaux des 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 d’anneau : (a) Procédure de calcul, (b) Exemples d’indicateurs sur Silice (SiO2), (c) Répartition des indicateurs de forme en verre de silice et neuf cristaux. Crédit : Motoki Shiga et al.
Ils ont révélé qu’il existe 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’ordre structurel lié à l’anisotropie originaire de l’anneau est cohérent avec les preuves expérimentales, comme les données de diffraction de SiO.2. 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 être un arrangement discordant et chaotique d’atomes dans la silice vitreuse.
Percées et orientations futures
« L’unité structurelle et l’ordre structurel au-delà de la liaison chimique ont longtemps été supposés grâce à des observations expérimentales, mais leur identification a échappé aux scientifiques jusqu’à présent », explique Shiga. « De plus, notre analyse réussie contribue à comprendre les transitions de phase, telles que la vitrification et la cristallisation des matériaux, et fournit les descriptions mathématiques nécessaires au contrôle des structures et des propriétés des matériaux. »
Pour l’avenir, Shiga et ses collègues utiliseront ces techniques pour élaborer des procédures d’exploration des matériaux en verre, procédures basées sur des approches basées sur des données telles que apprentissage automatique et l’IA.
