玻璃在压力下泄露秘密

玻璃是一种神秘的材料，但当研究人员施加压力时，它就会揭示秘密。

通过使用各种技术，阿贡国家实验室的研究人员首次发现了一种密度大、纯八面体玻璃的原子结构，科学家们已经困惑了几十年。他们还见证了玻璃结构的持续变化，推翻了四面体玻璃在低相和高密度相之间经历明显转变的理论。

材料科学家Chris Benmore说:“我们对玻璃在压力下的结构知之甚少，尽管它非常重要。”欧洲杯足球竞彩我们把它放在汽车和家里，并在许多工业应用中使用它，但原子结构在极端压力下是如何反应的呢?”

Benmore是Argonne的研究员强脉冲中子源部门(施用肥料)。这个部门负责运作IPNS，为凝聚态物理提供中子，凝聚态物理是研究原子在液体和固体中的排列和运动。IPNS对来自工业界、学术界和其他国家实验室的研究人员开放。

玻璃很难研究，因为它是无序的，缺乏周期性晶体结构。此外，它还需要在压力下进行研究，因为正如本莫尔所说，“当压力减小时，玻璃结构会立即反弹。”研究人员为这项研究设计了原始的压力电池几何形状。

为了见证玻璃在压力下的转变，Benmore和同事们使用了一系列工具:

• 阿贡IPNS中子衍射研究
• 阿贡的x射线衍射先进的光子源,
• 分子动态模拟。

科学家Chris Tulk来自橡树岭国家实验室与来自美国的压力电池专家一起为这两种仪器创造了新的压力电池卡内基研究所．

“二氧化硅是最重要和最广泛使用的玻璃，”Benmore说，“但我们研究了更软的锗(Ge)，因为它是二氧化硅的结构类似物，在比二氧化硅低得多的压力下转变为八面体形式。日耳曼也提供了更大的中子和x射线研究对比，所以细节更清楚。”

在环境压力下，Ge具有典型的四面体网状玻璃结构。四个氧原子包围着一个锗原子，共用一个角落，形成直径只有一纳米的笼子。

中子的启示

研究人员在IPNS开始了他们的实验。中子揭示了材料的结构和动力学特性，它们对氧等较轻的元素非常敏感。欧洲杯足球竞彩

IPNS的玻璃、液体和非晶材料衍射仪内的两个活塞砧挤压了100立方毫米的二氧化物锗(GeO)样品欧洲杯足球竞彩₂)的压力高达5吉帕斯卡，或5万倍大气压。

IPNS揭示了GeO的机理₂的四面体在压力下坍塌。氧原子被挤压到邻近四面体的侧面，当笼子倒塌，玻璃密度增加。

与IPNS相比，APS能更清晰地显示锗原子，并能测试更小的样品，这使得在更高的压力下进行研究成为可能。作为一个1立方毫米的GeO₂在八面体玻璃形成之前，研究人员目睹了四面体笼的坍塌和平均五个氧原子围绕锗原子的组织。这五个平均配位数仍然没有明确地解决日耳曼相变是连续的还是不连续的问题。

研究人员认为，随着压力的增加，他们可能看到了结构中5到6倍锗原子的逐渐混合，但结果仍不清楚。所以他们拜访了他们的同事加拿大国家研究委员会进行分子动力学模拟，用计算机根据第一性原理计算分子的结构和行为。Benmore解释说:“模拟结果与我们的数据一致，并揭示了锗酸盐异常，这允许锗在有限的压力范围内存在五倍扭曲的协调。”“这证明了日耳曼玻璃是不断变化的，这与流行的两态模型不一致。”

当研究人员对GeO加压时₂在15万倍的环境压力下，他们首次在玻璃内部看到了一个密集的、无序的八面体结构。内部结构的角度不是一个完美八面体的90度和180度;相反，角度接近90度和165度。

Benmore说:“我们将继续研究这种致密的玻璃，因为之前从未对其进行过表征。”“这是一个挑战，因为需要压力。此外，一些玻璃科学家认为，如果玻璃变成八面体，它会立即结晶。”

这项研究发表在书信物理评论，2004年10月1日出版的《中国科学院院刊》《编辑选择》中突出了第93卷第11期欧洲杯线上买球．

http://www.anl.gov