Порядок внутри беспорядка объясняет структуру стекла и керамики

Передовые материалы

Редакция сайта «Технологические инновации» — 06.10.2025

Всё это кажется беспорядочным, но в хаосе структуры стекла, керамики и других аморфных материалов есть скрытый порядок. [Изображение: Эми Минамитани и др. - 10.1038/s41467-025-63424-z]

Где порядок и беспорядок сосуществуют

Недавнее открытие упорядоченных закономерностей в хаосе на практике доказало, что порядок и беспорядок — это не острова, которые никогда не соприкасаются, а пограничные области, где могут сосуществовать вещи, противоречащие здравому смыслу.

Теперь японские исследователи обнаружили, что области в кристаллической структуре материалов, которые считались хаотичными, на самом деле не только скрывают упорядоченные области, но и демонстрируют иерархии — организацию, которая варьируется от локального беспорядка до беспрецедентного «дальнобойного порядка».

Эми Минамитани и его коллеги пытались понять, почему стекло , керамика и другие аморфные материалы — материалы, не имеющие упорядоченной кристаллической структуры, такие как металлы, — деформируются в одних областях легче, чем в других.

Они обнаружили, что эти более мягкие области управляются скрытыми иерархическими структурами, в которых сосуществуют упорядоченные и неупорядоченные атомные структуры. Открытие стало возможным благодаря применению к анализу материала математического метода, известного как персистентная гомология – раздела топологического анализа данных, который фиксирует структурные особенности в различных масштабах.

В кремнии, кремниевом стекле, широко используемом в солнечных батареях и электронных устройствах, группа обнаружила иерархические кольцевые структуры: меньшие кольца с нерегулярной длиной ребер вложены в более крупные кольца — настоящий порядок в хаосе, до сих пор скрытый в кажущейся беспорядочности атомной структуры стекла.

• Порядок в хаосе: эксперимент доказывает существование упорядоченных закономерностей в хаосе

Атомные структуры и соответствующие диаграммы устойчивости аморфных моделей с кремниеподобными связями. [Изображение: Эми Минамитани и др. - 10.1038/s41467-025-63424-z]

Порядок в беспорядке

Такое сосуществование порядка и беспорядка означает, что локальная гладкость стекла возникает не только из-за случайности, но и из-за ограничений, налагаемых порядком среднего уровня, переплетенным с локальным беспорядком.

Исследование также показало, что эти иерархические структуры тесно коррелируют с локализованными низкоэнергетическими колебаниями — универсальной особенностью стекол, известной как «бозонный пик».

Фактически, группа обнаружила чёткий структурный принцип: механически мягкие области возникают там, где беспорядок вплетён в структуру среднего порядка. Это противоречивое открытие даёт практическое руководство для разработки аморфных твёрдых тел, которые одновременно гибкие и прочные, что находит применение в самых разных областях: от дисплеев и покрытий до энергетических устройств.

«Эта работа открывает новый подход к установлению связи между атомной структурой аморфных материалов и их механическими характеристиками», — сказал профессор Минамитани из Университета Осаки. «Мы считаем, что эти результаты ускорят разработку прочных стекол и других современных аморфных материалов».

• Эксперимент показывает, что порядок создается беспорядком.

Другие новости о:

Больше тем