在材料科学中，特别是在玻璃研究中，中程有序 (IRO) 是最有趣的研究领域之一，因为它对玻璃的物理性质有显著的影响。IRO 是指原子的结构排列超出短程有序(几个原子距离内的原子排列)但短于长程有序(宏观距离上的排列模式)。值得注意的是，对于共价玻璃，IRO 以原子密度波动为特征。
散射实验提供了 IRO 的独特特征。在这些实验中，X 射线和中子束等高能光束被样品的原子散射。然后，散射波发生建设性或破坏性干涉，分别产生亮点或暗点。亮点称为衍射峰。对于共价玻璃中的 IRO，已经观察到一个称为第一个尖锐衍射峰 (FSDP) 的独特衍射峰。对于 FSDP 的起源，人们提出了各种解释，包括准晶格平面(具有一些重复模式的原子平面)或间隙空隙的存在(即原子排列中的间隙)。然而，对这些原子密度波动的直接实验观察仍然难以实现。
在一项新研究中，一个研究小组由早稻田大学材料科学系的 Akihiko Hirata 教授领导，其中包括东北大学的 Motoki Shiga 教授和国家材料科学研究所的 Shinji Kohara 博士，采用了一种创新技术来直接观察 FSDP 的起源和二氧化硅 (SiO 2 ) 玻璃中的原子密度波动。“我们将我们之前用于观察各种玻璃材料中原子级结构的埃束电子衍射 (ABED) 技术与能量过滤装置相结合，成功观察到了与 FSDP 相关的衍射峰和 SiO 2玻璃的相关原子排列，”Hirata 教授解释说。他们的研究于 2024 年 5 月 10 日发表在NPG Asia Materials 杂志上。
研究中，研究人员首先在薄层 SiO 2玻璃样品上用能量滤波装置进行 ABED 实验，获得了与 FSDP 相关的清晰的衍射图案。接下来，为了了解其起源，他们利用通过分子动力学和蒙特卡洛模拟开发的 SiO 2结构模型进行了虚拟 ABED 实验。该模型可以重现高能 X 射线和中子散射实验，包括真实样品的 FSDP，验证了模型的有效性。在模型上进行的虚拟 ABED 实验产生了与真实实验相似的衍射图案。研究人员随后从结构模型中提取了产生这些图案的原子排列。
分析表明，对应于 FSDP 的周期性原子密度波动源自链状柱状原子结构和间隙管状空隙的交替排列。值得注意的是，管状空隙的长度限制在两纳米以内。柱状排列形成伪二维原子平面，为准晶格平面提供了更具体的描述。此外，虽然这些局部结构并不完全对应于在整个材料中表现出一致有序原子结构的晶体，但它们显示出部分相似的特征。这些发现为玻璃的 IRO 提供了重要的见解。
Hirata 教授强调了玻璃材料的潜在应用，特别是在电池中作为阳极材料或固态电解质：“从这项研究中获得的对原子密度波动的根本性见解有助于加速这些材料的开发，从而提高电池性能。 ”
总的来说，这项研究增进了我们对玻璃原子结构的理解，为材料的控制和开发提供了新的方向。
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