الزجاج، وهو مادة تم استخدامها لعدة قرون في تطبيقات مختلفة، لا يزال يثير اهتمام العلماء بتكوينه الذري المضطرب وانتظامه الهيكلي المراوغ. ومع ذلك، فإن الإنجاز الأخير الذي حققته مجموعة بحثية بقيادة البروفيسور موتوكي شيجا من مركز تحليل البيانات غير المسبوق بجامعة توهوكو قد ألقى ضوءًا جديدًا على هذه المادة الغامضة.
كان التركيز الرئيسي للدراسة على الأشكال الحلقية داخل شبكات الزجاج المرتبطة كيميائيًا. ومن خلال تطوير طرق مبتكرة لقياس البنية ثلاثية الأبعاد لهذه الحلقات وتماثلاتها، تمكن الباحثون من الكشف عن رؤى قيمة. لعب مؤشران، "الاستدارة" و"الخشونة"، دورًا حاسمًا في تحديد عدد أشكال الحلقات التمثيلية في كل من السيليكا البلورية والزجاجية (SiO2).
والمثير للدهشة أن التحليل كشف عن خليط من الحلقات الفريدة للزجاج، بالإضافة إلى بعضها الذي يشبه تلك الموجودة في البلورات. يتحدى هذا الاكتشاف الافتراض التقليدي بأن الزجاج يفتقر إلى النظام الهيكلي، ويوضح أن هناك أنماطًا أساسية ضمن ترتيب الذرات الذي يبدو فوضويًا.
علاوة على ذلك، طور فريق البحث تقنية لقياس الكثافة الذرية المكانية حول الحلقات من خلال فحص اتجاهها. كشف هذا النهج عن تباين الخواص، مما يشير إلى أن التكوين الذري لا يتم تنظيمه بشكل موحد في جميع الاتجاهات. يتماشى هذا الاكتشاف مع الأدلة التجريبية، مثل بيانات حيود SiO2، ويسلط الضوء على مناطق النظام الهيكلي الموضعي وسط الاضطراب العام.
إن فهم الانتظام الهيكلي في الزجاج له آثار بعيدة المدى. فهو لا يوفر نظرة ثاقبة للتحولات الطورية، مثل التزجيج والبلورة فحسب، بل يفتح أيضًا طرقًا للتحكم في هياكل المواد وخصائصها. ويؤكد البروفيسور شيجا على أهمية هذا الإنجاز، قائلاً: "يساهم تحليلنا الناجح في فهم التحولات الطورية... ويوفر الأوصاف الرياضية اللازمة للتحكم في هياكل المواد وخصائصها".
وبالنظر إلى المستقبل، يخطط شيجا وفريقه للاستفادة من هذه التقنيات الجديدة لاستكشاف المواد الزجاجية بشكل أكبر، وذلك باستخدام الأساليب المستندة إلى البيانات مثل التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي. يعد هذا النهج المرتكز على البيانات بفتح إمكانيات جديدة ودفع المزيد من التقدم في أبحاث الزجاج.
المصدر الأصلي: مواد الاتصالات [DOI: 10.1038/s43246-023-00416-w]
الأسئلة الأكثر شيوعًا (FAQ)
س: لماذا يصعب فهم الطبيعة الهيكلية للزجاج والتحكم فيها؟
ج: على الرغم من تاريخ استخدامه الطويل، لا يزال الزجاج يحير العلماء بسبب تكوينه الذري المضطرب، مما يجعل من الصعب الكشف عن انتظامه الهيكلي وتصميم مواد فعالة.
س: ما هي الحلقات التي وجدها الباحثون في الزجاج وكيف هي فريدة من نوعها؟
ج: اكتشف الباحثون مزيجًا من الحلقات الفريدة للزجاج، وبعضها يشبه تلك الموجودة في البلورات، مما يتحدى فكرة أن الزجاج يفتقر إلى النظام الهيكلي.
س: ما هو تباين الخواص وماذا كشفت عنه الدراسة بالنسبة للزجاج؟
ج: يشير تباين الخواص إلى التنظيم غير المنتظم للتكوين الذري في اتجاهات مختلفة. كشفت الدراسة عن تباين الخواص حول الأشكال الحلقية في الزجاج، مما يشير إلى أن الترتيب الهيكلي ليس موحدًا، ولكنه يظهر جيوبًا من الانتظام.
س: كيف يساعد فهم الطبيعة الهيكلية للزجاج في التحكم في هياكل المواد وخصائصها؟
ج: إن فهم الأنماط الأساسية في الزجاج يوفر نظرة ثاقبة للتحولات الطورية مثل التزجيج والبلورة. علاوة على ذلك، فهو يتيح تطوير الأوصاف الرياضية اللازمة للتحكم في هياكل المواد وخصائصها.
س: كيف ستواصل مجموعة البحث استكشاف المواد الزجاجية في المستقبل؟
ج: تخطط مجموعة البحث للاستفادة من الأساليب المعتمدة على البيانات مثل التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي لتطوير إجراءات لاستكشاف المواد الزجاجية بمزيد من التفصيل، وفتح آفاق جديدة للبحث والابتكار.